说明：最近因某些原因，打算去读个博士，需要提交研究proposal，由于对跨链、跨二层网络一直很有兴趣，因此产生了此RP，供探讨。
1. Introduction
自比特币13年前诞生以来，各类具有不同特征、适用不同应用场景的公链网络（简称Layer 1网络）被开发出来。目前存在的Layer 1网络达到 115 条 (Blockchain Comparison,2022) ，这些不同的Layer 1网络在通信协议、共识协议和治理模型都具有较大差异。导致在不同的Layer 1网络之间价值转移、信息流通都极为麻烦。
同时由于包括Bitcoin、Ethereum等Layer 1网络在处理性能、扩展性上存在较大瓶颈，因此诞生了Layer 2 网络，以解决Layer 1网络性能瓶颈。包括Bitcoin的Lightning network ，Ethereum网络的Arbitrum Rollup ，zkSync Rollup ，Optimism Rollup等。目前针对Ethereum 的Layer 2项目多达13个 (Blockchain Comparison,2022) 。这些不同的Layer 2网络间同样面临价值转移、信息流通障碍问题。
针对不同Layer 1网络以及Layer 2网络间互操作的需求，诞生了各种Cross-Chain 和 Cross-Layer解决方案。Cross-Chain 和 Cross-Layer可以被理解为一种协议，解决两个或多个不同Layer 1和Layer2网络上的资产和信息不能互相传递、转移、交换的问题。Cross-Chain 和 Cross-Layer技术能够增加区块链的可扩展性和可组合性，解决不同Layer 1网络及Layer2 网络间“数据孤岛”问题。
2. Problem statement
目前区块链Cross-Chain 和 Cross-Layer技术研究仍处于萌芽阶段，工程实践远远领先理论基础的研究，导致相关项目理论基础薄弱，在激励机制、去中心化、安全性、可扩展性等方面都存在诸多问题。
本课题主要聚焦Cross-Chain 和 Cross-Layer以下几个方面的技术研究。
1、Layer 1 – Layer 1 、 Layer2 – Layer 2以及 Layer 1 – Layer 2网络的Cross-Chain 和 Cross-Layer互操作
目前相关的研究主要集中在Layer1-Layer1的Cross-Chain，对Layer2-Layer2以及Layer1-Layer2之间的互操作性研究较少，而由于Decentralized finance (DeFi) 和Web3.0的兴起，对Layer-Layer2以及Layer1-Layer2的深入研究以及解决方案的需求日益迫切。
2、Cross-Chain 和 Cross-Layer交易性能问题
Cross-Chain 和 Cross-Layer交易的性能受到来源链和目标链性能的限制，导致目前的Cross-Chain和Cross-Layer 解决方案的性能都不理想。与Lighting network相比，目前Ethereum的Layer 2解决方案网络费用更高、扩展性更差。同时由于受到“去中心化、安全性、可扩展性”不可能三角理论限制，怎样平衡去中心化、安全性、可扩展性以及性能间的关系是Cross-Chain和Cross-Layer 的核心挑战。
3、合理的激励机制（经济模型）
合理的激励机制（经济模型）是保证Cross-Chain 和 Cross-Layer网络安全、服务可持续发展的必要手段。由于激励机制涉及经济学、金融学、心理学等跨领域知识，同时激励机制与Cross-Chain 和 Cross-Layer技术方案密切相关、相互影响。这对Cross-Chain 和 Cross-Layer技术团队能力是巨大挑战。目前大部分Cross-Chain和Cross-Layer基于经济利益考虑，都发行了自己Token，但与之对应的经济模型并不合理。
4、用户体验问题
目前的Cross-Chain 和 Cross-Layer解决方案，基于对数据验证的需要，都要求节点拥有完整的区块链数据，导致使用门槛过高。一些项目采用轻量级客户端的方案，提升了用户体验，但存在较大安全隐患。同时由于面向最终用户的相关工具不完善，操作极为麻烦，使用门槛高，导致产品使用人群只局限于技术人员。
3. Key Research Questions
核心问题1：怎样提高Layer 1 – Layer 1 、Layer2 – Layer 2以及 Layer 1 – Layer 2网络的Cross-Chain 和 Cross-Layer互操作？
初步方案：以Atomic swaps技术为基础，融合Relays和Liquidity network，构建同时支持目前主流Cross-Chain和Cross-Layer 解决方案的hybrid protocol，实现Cross-Chain和Cross-Layer的互操作。
核心问题2：怎样提高Cross-Chain 和 Cross-Layer的交易性能和可扩展性？
初步方案：搭建支持Cross-Chain的Layer 2网络，解决Layer 1的性能瓶颈限制。采用Client-side validation方案，提升Layer 2的交易速度和扩展性
核心问题3：怎样实现高效的网络路由算法
要搭建去中心化的Cross-Chain的Layer 2网络，需要对网络节点进行路由选择，优秀的路由算法对Layer 2的性能、效率至关重要。
初步方案：借鉴Lightning network的路由算法优化方案。
核心问题4：怎样建立高效的Cross-Chain 和 Cross-Layer经济模型？
初步方案：
借鉴Lighting network和Uniswap的设计理念，首先提供有价值的服务，避免过早引入复杂的Token经济模型。
同时为保证网络安全，需要对网络参与者进行激励和惩罚。 对Cross-Chain 和 Cross-Layer 请求按照service-level agreement (SLA)分层，对应的激励机制分层。低等级的请求（速度相对慢、交易金额小）免费，高等级的请求（速度要求快、金额较大）的请求收费用于激励参与者。
核心问题5：怎样降低用户使用门槛，更好支撑DeFi、Web3.0相关服务？
初步方案：构建light-client，类似Bitcoin的Simplified Payment Verification （SPV），降低用户端使用门槛。
4. Research aims and objectives
研究Cross-Chain 和 Cross-Layer互操作性理论基础，提出新的Cross-Chain 和 Cross-Layer协议，融合Atomic swaps、Relays和Liquidity network技术， 实现Layer 1 – Layer 1 、Layer2 – Layer 2以及 Layer 1 – Layer 2网络的互通。在去中心化的前提下，提升Cross-Chain 和 Cross-Layer的性能、安全性、隐私保护、可扩展性和易用性，提高资产的流动性和使用效率。
5. Literature Review
相关工作的研究可以分为三部分：对Cross-Chain的研究；对Cross-Layer的研究；对路由算法的研究。
5.1. 对Cross-Chain的研究
Cross-Chain技术分为 Public Connectors , Blockchain of Blockchains , Hybrid Connectors (Belchior,2021) 。
Public Connectors 包含 Notary Schemes , Sidechains & Relays , Hashed Time-Lock Contracts 。
Vitalik Buterin对Notary Schemes , Sidechains & Relays , Hashed Time-Lock Contracts 的技术实现做了总结 (Buterin V., 2016)。
Notary Schemes 的代表是Ripple 提出的InterLedger协议。Notary Schemes 由于依赖于第三方公证人，过于中心化，因此在目前Cross-Chain中较少单独采用。
Sidechains & Relays 侧链实现的核心原理是pegged sidechain (Back,2014) 和 sidechain with strong federation (Dilley,2017)。中继适用于连接2个异构或同构区块链。Sidechains & Relays 具有适应场景广泛的优势，因此成为主流Cross-Chain的解决方案，但存在速度慢、效率低的问题。
Hashed Time-Lock Contracts 支持无需可信公证人的情况下，通过哈希锁和时间锁共同完成链间资产兑换，因此具有去中心化的优势。基于Hashed Time-Lock Contracts 技术的Atomic Cross-Chain Swaps (Herlihy ,2018) 目前已经在Cross-Chain中广泛采用。
Blockchain of Blockchains 的代表Cosmos(Kwon & Buchman ,2016)和 Polkadot (Wood,2016) 。两者都是基于Relays 技术来搭建可伸缩的异构多链系统。Cosmos 通过提供标准协议（IBC）让其他区块链接入完成信息交互。 Polkadot 通过XCMP让数据在不同的区块链之间进行交互。
5.2. 对Cross-Layer的研究
目前针对Cross-Layer的研究较少，针对Layer 2的相关研究方法依然对Cross-Layer 有借鉴意义。
Lightning Network 白皮书 (Poon & Dryja,2016) 提出了基于Hash Time-lock Contracts (HTLCs)和Atomic Multi-path Payments(AMP) 来实现Lightning network ，随后形成了BOLT (Basis of Lightning Technology) 规范 (Lightning Network,2022) 。
基于Peter Todd 提出的客户端验证（client-side validation）(Todd, 2016)和一次性密封（single-use-seals）(Todd,2017)的理念，RGB协议 (RGB,2021) 提出了一种更可扩展、更加隐私、更面向未来的解决方案。
针对Cross-Layer交易过程中资产流动性管理的难题，产生了Liquidity Network的解决方案，典型代表包括Liquidity.Network (Khalil,Zamyatin,& Felley ,2018) 、Connext (Connext,2021)、Celer (Mo , Liu , Li X., & Liang ,2018)等项目。
zkTube 提出了cross-rollup (zkTube,2021) 方案以解决Ethereum Layer2 的Cross-Layer需求。
LayerZero (Zarick, Pellegrino,Banister,2021) 通过light-client方案来实现对资产的验证，用户不用搭建完整节点，降低了使用门槛。
5.3. 对路由算法的研究
路由算法是实现Layer 2及Cross-Layer网络高效、可扩展的关键。
Lightning network目前采用Dijkstra 算法，在网络规模扩大后，路由速度较慢，节点的维护成本较高。
针对Dijkstra的缺点，Ant routing (Grunspan,2018 )和Flare算法 (Prihodko,2016) 做出了较好的优化。
Ant routing 算法受到蚂蚁行为的启发, 利用蚂蚁寻找食物时使用“信息素”标记路径的特点, 实现了一种去中心化的路由算法。网络中节点只保存局部路由信息, 维护与邻居节点的动态通道状态, 通过三阶段转发消息来寻找到从发送方到接收方的可用路径。
Flare 算法通过结合本地信标与全局信标算法, 普通节点在本地维护局部网络拓扑信息, 大大降低了对于Layer 2网络节点的性能需求。
Ant routing和Flare算法在处理大额交易时，存在路由选择中心化、成功率低、通道阻塞严重等问题。针对这些问题，SilentWhispers 算法 (Malavolta,2017)、SpeedyMurmurs 算法 (Roos,2018)、Spider 算法 (Sivaraman,2020) 、Push-Relabel 算法 (Rohrer,2017)、Flash算法(Wang,2019)、cRoute算法(Mo,2018)、CoinExpress算法 (Yu,2108) 提出了各自的改进方案。文献 (Jia LP,2022) 采用有效性 (effectiveness)、并发性 (concurrency)、可扩展性 (scalability)等指标评估了这些算法的优劣。
6. Research Methodology
核心研究方法步骤：
1、基于Atomic swaps，融合Relays和 Liquidity network，更好支持Bitcoin、Ethereum等Layer1 、Layer 2网络，构建去中心化的Cross-Chain 和 Cross-Layer协议。
核心方案：
a). 由于Cross-Chain方案受限于来源链和目标链的性能，而目前Layer 2网络都是针对同构网络的。为解决解决Layer 1 网络Cross-Chain的性能瓶颈限制，本课题课程重点任务之一是搭建Cross-Chain 的Layer 2 网络。
技术方案上基于Atomic swaps，融合Relays和Liquidity network。
b). 基于Ant routing和SpeedyMurmurs算法形成混合路由算法，实现对Cross-Chain请求的智能路由算法。
对小金额的采用Ant routing算法，大金额采用SpeedyMurmurs算法。
智能路由算法根据Cross-Chain请求的service-level agreement (SLA)选择最佳的Layer 1 或Layer 2 节点。
智能路由算法优先采用Layer 2 网络，对不支持Layer 2的，再使用传统Cross-Chain方案。
c). 对Layer 2网络及Cross-Layer网络，采用Client-side validation方案，提升Layer 2的交易速度和扩展性，降低交易费用。
d).增加对市场上主流的Cross-Chain和Cross-Layer 协议的支持，以充分利用已有解决方案的生态和网络。从而可以将市场的Cross-Chain和Cross-Layer 节点纳入新的协议，成为新协议的节点。
2、对协议进行封装，构建light-client，降低用户端使用门槛，更好支持DeFi、Web3.0
3、搭建minimum viable product (MVP)，验证协议的经济模型、去中心化、安全性、性能、可扩展性、可组合性。
7. Significance of research
Cross-Chain 和 Cross-Layer在DeFi 和Web3.0都有大量应用场景。去中心化、高效、安全的Cross-Chain 和 Cross-Layer解决方案对区块链生态的创新、繁荣发展至关重要。
通过新的Cross-Chain 和 Cross-Layer协议，可以提升Layer 1、Layer 2网络的互操作性、可组合性和性能，降低DApp的开发和使用门槛，提升用户体验，提高各种资产整体的流动性和使用效率，激发出更多的创新服务。
8. References
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