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区块链Cross-Chain和Cross-Layer技术研究

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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

Belchior R. ,Vasconcelos A. ,Guerreiro S. ,& Correia M.(2021). A Survey on Blockchain Interoperability: Past, Present, and Future Trends. ACM Computing Surveys,54, pp 1–41.

Herlihy M. (2018). Atomic Cross-Chain Swaps. arXiv: 1801.09515.

Buterin V. (2016).R3 Report-Chain Interoperability . Retrieved from

https://www.r3.com/wp-content/uploads/2017/06/chain_interoperability_r3.pdf

Khalil R.,Zamyatin A., Felley G.,Moreno-Sanchez P,& Gervais A.(2018).Commit-Chains: Secure, Scalable Off-Chain Payments. Retrieved from https://ia.cr/2018/642

Back A. ,Corallo M. , Dashjr L. , Friedenbach M. , Maxwell G., & Miller A., et al. (2014).Enabling Blockchain Innovations with Pegged Sidechains.

Dilley J. ,Poelstra A. ,Wilkins J. , Piekarska M., Gorlick B., & Friedenbach M. (2017). Strong Federations: An Interoperable Blockchain Solution to Centralized Third Party Risks.

Gangwal A., Gangavalli H., & Thirupathi A.(2022).A Survey of Layer-Two Blockchain Protocols. arXiv: 2204.08032

Grunspan C., Lehéricy G. , & Pérez-Marco R. (2018).Ant routing algorithm for the Lightning Network. arXiv: 1807.00151.

Prihodko P. , Zhigulin S., Sahno M., Ostrovskiy A., & Osuntokun O. (2016).Flare: An approach to routing in lightning network white paper.

Malavolta G., Moreno-Sanchez P., Kate A., & Maffei M.(2017). SilentWhispers: Enforcing security and privacy in decentralized credit networks. Proc. of the 24th Annual Network and Distributed System Security Symp. (NDSS 17). San Diego.

Roos S., Moreno-Sanchez P., Kate A., Goldberg I.(2018). Settling payments fast and private: efficient decentralized routing for path-based Transaction. Proc. of the 25th Annual Network and Distributed System Security Symp. (NDSS 18). San Diego. pp. 1–15.

Sivaraman V., Venkatakrishnan S.B., Ruan K., Negi P., Yang L., Mittal R. et al. (2020).High throughput cryptocurrency routing in payment channel networks. Proc. of the 17th USENIX Symp. on Networked Systems Design and Implementation (NSDI 20). Santa Clara. pp. 777–796.

Rohrer E., Laß J.F., Tschorsch F.(2017). Towards a concurrent and distributed route selection for payment channel networks. Proc. of the ESORICS 2017 Int’l Workshops on Data Privacy Management, Cryptocurrencies and Blockchain Technology.Norway: Springer, pp.411–419.

Yu, R., Xue, G., Kilari, V. T., Yang, D., & Tang, J. (2018). CoinExpress: A fast payment routing mechanism in blockchain-based payment channel networks.Proc. of the 27th Int’l Conf. on Computer Communication and Networks (ICCCN 18). Hangzhou: IEEE,pp. 1–9.

Wang P., Xu H., Jin X., Wang T. (2019).Flash: Efficient dynamic routing for offchain networks. Proc. of the 15th Int’l Conf. on Emerging Networking Experiments and Technologies (CoNEXT 19),Orlando: ACM. pp. 370–381.

Jia LP, Pei Q, Wang X, Zhang HW, Yu L, Zhang J, Sun Y. (2022).Survey on Offchain Channel Routing Algorithm. Ruan Jian Xue Bao/Journal of Software, 33(1). pp. 233–253

Kwon, J., Buchman, E.(2016) . Cosmos:A Network of Distributed Ledgers. Retrieved from

https://github.com/cosmos/cosmos/blob/master/WHITEPAPER.md .

Wood, G. (2016).P POLKADOT: VISION FOR A HETEROGENEOUS MULTI-CHAIN FRAMEWORK. Retrieved from https://polkadot.network/PolkaDotPaper.pdf .

Poon J., Dryja T. (2016).The Bitcoin Lightning Network:Scalable Off-Chain Instant Payments. Retrieved from https://lightning.network/lightning-network-paper.pdf .

Poon J. , Dryja T. (2016).The Bitcoin Lightning Network:Scalable Off-Chain Instant Payments.

Retrieved from https://lightning.network/lightning-network-paper.pdf .

Lightning Network .(2022).BOLT: Basis of Lightning Technology (Lightning Network Specifications).

Retrieved from https://github.com/lightning/bolts .

Todd,T.(2016). Progress on scaling via client-side validation. Retrieved from

https://diyhpl.us/wiki/transcripts/scalingbitcoin/milan/client-side-validation/ .

Todd,T.(2017). Scalable Semi-Trustless Asset Transfer via Single-Use-Seals and Proof-of-Publication.

Retrieved from https://petertodd.org/2017/scalable-single-use-seal-asset-transfer .

RGB.(2021). RGB: bitcoin & lightning client-validated smart contracts.

Retrieved from https://github.com/RGB-WG/rgb-core

Mo D., Liu J., Li X., Liang Q.(2018).Celer network: Bring internet scale to every blockchain. arXiv: 1810.00037 .

Connext.(2021).Nxtp:Noncustodial Xdomain Transfer Protocol. Retrieved from

https://github.com/connext/nxtp

zkTube.(2021).zkTube Whitepaper. Retrieved from

https://github.com/zkTube-Labs/zkTube-docs/tree/main/docs/Whitepaper .

Zarick R., Pellegrino B. , Banister C. .(2021).LayerZero: Trustless Omnichain Interoperability Protocol.

Retrieved from https://layerzero.network/pdf/LayerZero_Whitepaper_Release.pdf

Blockchain Comparison.(2022). All layer 1 blockchain protocols. Retrieved from

https://blockchain-comparison.com/blockchain-protocols/ .

Blockchain Comparison.(2022). All layer 2 blockchain protocols. Retrieved from

https://blockchain-comparison.com/layer-2-blockchain-protocols/ .

 

 

 

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