区块链:技术 | Cosmos跨链协议IBC的来龙去脉

导读

Cosmos是由Tendermint团队构建的开源社区项目，它是一个由独立的称为Zone的区块链组成的支持跨链交互的异构多链系统，和Polkadot一样，也由中继技术实现。Cosmos提供一套能够完整搭建区块链的SDK，作为一个跨链系统，其中最为关键的就是跨链协议相关的设计，今天我们就来详细分析一下IBC协议的具体内容。

IBC初探

IBC是属于Cosmos-SDK中一个特殊的模块。之所以特殊，主要体现在IBC提供了区块链之间的跨链能力。

从总体的流程来说，IBC的技术并没有很复杂，应该来说协议本身不应太过复杂，这对于协议的使用者来说约束更小，更加灵活。

现在比如说A链上的Alice上需要发送10个ATOM代币到B链上的Bob上，会经过下面的四个步骤。

▲?Tracking

A链上的IBC模块会不断的同步B链上的区块头信息，B链上的IBC同理。通过这种方式，双方能够实现跟踪对方区块链上的验证者集合的变化，本质上来说，就是A链、B链相互维护了一个对方的轻节点。

声音 | Jimmy Nguyen：区块链技术将改变互联网技术 甚至比互联网技术更强大:在2019 T-EDGE新金融峰会暨CHAINSIGHTS金融科技与区块链中国峰会上，Bitcoin Association创始主席Jimmy Nguyen 发表主题演讲表示，区块链和比特币将是引领我们这一代人的主要技术，它会改变互联网技术，甚至比互联网技术更加强大。他进一步解释称，比特币把数据和货币价值通过一个网络协议集合在一起，它给数据赋权，使数据有更大的力量。（钛媒体）[2019/12/8]

▲?Bonding

当使用IBC初始化一笔跨链转账之后，A链上的10个ATOM事实上处于锁定的状态。

▲?Proof中继

一份证明A链上已经锁定10ATOM的“证据”会被路由到B链上的IBC模块。

动态 | 新任南非总统儿子看好区块链技术 并将发起南非首所区块链大学:据Beincrypto消息，新当选的南非总统的儿子Tumelo Ramaphosa是非洲区块链的倡导者，看好加密货币有可能为非洲大陆的无银行账户提供银行服务，在其父亲的宣誓就职仪式上穿了比特币主题的袜子。并且今年，Tumelo将领导发起南非第一所面向年轻企业家的区块链大学。他希望通过教育，可以为南非、非洲大陆其他地区和美国等其他地区蓬勃发展的区块链产业搭建桥梁。[2019/5/27]

▲?验证

B链结合A链的轻节点信息，对这份“证据”验证通过之后，B链上会“铸造”10份ATOMVoucher，这些Voucher可以进行后续的流通使用。当然这些Voucher也可以通过同样的跨链方式返回到A链，A链上的ATOM代币相应执行解锁的操作。

动态 | 为推广区块链技术 美国科罗拉多州政府引入区块链架构师:据govtech消息，为了扩大区块链技术的应用，美国科罗拉多州长办公室招聘了一位区块链解决方案架构师Thaddeus“Thad”Batt。作为州政府的首位区块链架构师，Batt将负责建设和推广该州的区块链基础设施，同时还寻找机会通过试点计划和用例扩展该技术的使用。[2019/5/23]

IBC握手流程

IBC协议是Cosmos中最核心的接口协议，能够实现区块链间跨链消息的可信、可靠转发，并有效进行流量控制、多路复用等功能。

在Cosmos中，每个功能都是高度模块化的，每个功能通过加载不同的模块来实现，IBC也是如此。在IBC设计时，借鉴了传输层的TCP协议，也是希望成为区块链领域的“TCP协议”。不仅如此，在IBC的各个方面也能看到TCP的身影，首先我们来看IBC中的一些基本概念。CosmosIBC采用了有连接的、可靠的跨链消息传输。

在此基础上提出了以下几个关键定义：

Client

Connection

扬州市政府：围绕区块链等技术 提升软件和互联网产业首位度:据新华日报报道，扬州市政府办公室印发《关于加快“三大创新板块”建设的实施意见》,全力提升软件和互联网产业首位度。未来三年，围绕云计算、物联网、大数据以及人工智能、区块链等前沿领域、前沿技术，采取资源共享、错位竞争的方式，吸引国内外知名软件和互联网企业在江广融合区设立中心，加快构筑软件和互联网产业发展的核心区、示范区。[2018/6/11]

Channel

下图是IBC协议和TCP相关概念的对比。

可以看到连接、端口都是TCP协议中的规范，但是其中的内涵发生了变化，为了适应跨链场景下的使用。同时增加了通道和客户端等新的内容，能够支持跨链中的有序发送和跨链交易的验证。

接下来我们来看一下一次完整IBC协议的握手和通信流程。

意大利经济部长：对加密货币市场持批评态度 目前存在的问题不是区块链技术 而是怎样应用:周三在能源巨头Enel组织的一次活动中，意大利经济部长Pier Carlo Padoan加入了越来越多的政府官员，表示对加密货币市场持批评态度。他表示，即使中央银行关注这一技术，市场泡沫也会“爆炸”造成更多的伤害。Ansa Business的一份报告引用Padoan的话说，这个问题不是严格的技术问题，而是它的使用方式的结果。他对与会者表示：“区块链技是一种技术，但是技术是一回事，而你怎样使用这一技术又是另一回事。 问题不是技术而是行为。”[2018/2/1]

一笔跨链交易的连接流程如上图，和TCP协议类似，IBC的建立需要建立多次的握手过程，并增加了一步初始化客户端的操作，这对于跨链来说很关键的一环。

▲?链内客户端

跨链双方需要在链上初始化一个对方链的轻客户端，这个Client实质上是另一个区块链的轻客户端，而且必须满足Cosmos规定的一套Client接口。之所以要在IBC建立之前初始化这个轻客户端，是因为Cosmos需要保证在本链上能够验证来自来源链的跨链交易是能够验证的，否则无法保证在本链上执行该交易的有效性和合法性。

为了方便后续后续更多不同种类的区块链接入，这个轻客户端规定了一套通用的接口，不同类型的区块链通过实现该Client来达到接入的效果。现阶段Cosmos能够支持TendermintClient和SoloClient，也就是同构链之间原生支持跨链。这也决定了不是使用Cosmos构建的区块链想要接入CosmosHub进行跨链的话，必须通过一个额外的“转接桥”，实现起来也更加复杂了。

▲?握手连接

在轻客户端的基础上建立握手连接，握手连接基本上分别为三个部分。

启动跨链的用户向链A发起OpenInit请求，等待Relayer接收到该请求。

Relayer进行路由跨链消息包的工作，如果收到OpenInit的请求，Relayer会构造一个的OpenTry的请求发送到链B上。

链B收到OpenTry请求之后，如果同意的话，会对该消息进行确认（生成OpenACK数据包，并按照之前的方式由?Relayer转发给链A。

链A通过OpenACK数据包判断此次握手是否成功，如果成功，对此次握手发送最后的?OpenConfirm数据包返回链B。如果握手失败，此次连接也就是建立失败了。

上面的步骤不仅是指Connection的建立过程，Channel的建立也是遵循同样的流程，只是数据包的名称和内容会有不同，像建立Connection的时候发送的便是ConnOpenInit请求，建立的Channel的时候便是ChanOpenInit请求，之后的请求依次类推。

需要说明的是，Connection和Channel在跨链扮演的角色和功能并不相同，按照Cosmos的设计，Connection和Client一起负责跨链交易的“合法性”——包括跨链交易确实在目的链上发生，以及跨链交易只提交了一次。而Channel用来保证跨链交易的有序性，每笔交易按照SequenceNumber来进行发送。

虽然在Cosmos设计中有提到可以实现无序的Channel，但是默认实现上是采用了有序的模式。如果按照TCP协议簇来类比的话，有序Channel和TCP类似，无序Channel类似于UDP，无序Channel按照UDP来讲的话，在某些不太关注跨链消息包顺序的场景下也是适用的。同时Cosmos设计中也考虑到Channel的消息发送能力，允许一条Connection上建立多个Channel，在不同的跨链应用场景中，可以使用不同的Channel发送消息，从而隔离不同业务。

▲?发送跨链数据包

完成上述的一系列握手之后，应用层便可以在Channel上发送自己的数据了。Cosmos规定了发送跨链交易的一些必要字段，如下图：

其中Sequence和SourcePort字段都是承担其字面意思的功能，也是必须指定的字段，而TimeoutHeight和TimeoutTimestamp是Cosmos提供的一种超时机制。如果某个区块高度或者某个时间这笔跨链交易还没有完成的话，用户能够指定将这笔交易回退。而Data字段是留给用户进行自定义，以应对可能的各种复杂的跨链场景。

总结

通过上面对IBC的分析，我们可以看到IBC采用了建立连接的方式进行跨链，不同于Polkadot的XCMP协议，XCMP协议中平行链可以直接进行跨链消息的转发。

而且Cosmos并没有过分关注Zone作恶的情况，只是通过维护Zone的轻客户端的方式验证跨链交易的有效性，这种方式下是相信Zone不会出现集体作恶的情况，也就是Zone安全性由自身负责。不同于Polkadot设计上中继链维护全局的安全性，CosmosIBC的设计上是减少了跨链系统的维护成本和降低了设计实现难度的。

作者简介

陶勇星

来自数据网格实验室BitXHub团队主要负责区块链账本互操作技术相关研究工作

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