跨链综述：机制、协议、应用与挑战

陈龙飞，姚中原，潘恒，权高原，斯雪明

跨链综述：机制、协议、应用与挑战

陈龙飞1，2*，姚中原1，2，潘恒1，2，权高原1，2，斯雪明1，2

（1.中原工学院 前沿信息技术研究院，郑州 450007； 2.河南省区块链与数据共享国际联合实验室（中原工学院），郑州 450007）（ ∗ 通信作者电子邮箱2021016570@zut.edu.cn）

随着区块链技术及应用的不断发展，人们对区块链之间的交互需求日益增加。然而，区块链技术的孤立性和封闭性以及不同区块链之间的异构性造成了区块链的“价值孤岛”效应，这严重阻碍了区块链技术集成应用的广泛落地和良性发展。区块链跨链技术解决了不同区块链之间的数据流通、价值转移和业务协同等问题，也是提升区块链可扩展性和互操作性的重要技术手段。根据跨链技术的实现复杂性和功能丰富性程度，从三个方面分类总结了区块链跨链技术：一是基础的跨链机制，二是基于这些机制构建的跨链协议，三是提供了系统架构的跨链应用。最后，总结了跨链互操作中存在的问题，从而为区块链跨链技术的进一步研究提供了系统性理论参考。

区块链；互操作；跨链机制；跨链协议；跨链应用

0 引言

目前，区块链技术已经在数字金融、社会公共服务、供应链管理、智能健康医疗和能源贸易等多个重点领域得到广泛应用。随着区块链技术的不断成熟，区块链项目场景持续丰富，基于区块链的应用功能也会日益复杂，这就要求不同区块链系统间具备互操作性。然而，由于不同区块链系统在基础架构、共识机制、数据结构和业务模式等方面都可能存在差异，系统间的“价值孤岛”现象几乎很难消除，这也极大限制了链与链之间的互操作。因此，打破不同区块链系统间的“价值孤岛”并实现链与链之间的互操作与多融合已经成为当前区块链技术领域的研究重点。

跨链是指通过多种手段使多个区块链系统中链与链之间能够直接交互，从而实现不同区块链之间的数据流通、价值转移和业务协同的一类技术的总称。根据跨链操作作用的实体之间差异性不同，跨链技术大体可分为同构区块链跨链技术和异构区块链跨链技术两大类。其中，由于同构链间在底层架构、共识机制、加密算法等方面存在相对一致性，该跨链技术实现相对简单。然而，在实际应用场景中使用更多的是异构区块链之间的跨链可信访问［1］。由于异构链之间跨链操作需要解决异构链间差异性问题及交互安全性问题，技术实现相对复杂。

区块链跨链技术不仅能够跨地域、跨场景实现资产转移和业务协同，保证不同区块链系统间的互联互通和融合发展，还可以帮助突破区块链性能与功能瓶颈，进而全面提升区块链系统的实用性。具体地，在多链架构下，一方面将部分任务转移到侧链［2］进行处理并通过跨链技术将处理结果数据返回主链，进而解放主链事务处理能力，最终提高主链的交易吞吐量；另一方面可以通过跨链技术实现多业务协同处理，进而在不破坏主链基础架构和共识机制的情况下完成功能扩展。因此，跨链技术更是被称作进入区块链3.0时代的核心与关键技术［3］。

目前，已有多位学者总结了跨链领域相关研究。李芳等［4］从24种主流跨链项目出发，综合分析了跨链技术存在的安全风险；孙浩等［5］基于当前主流的4种跨链技术，探讨了跨链领域内的主流项目和难点问题；孟博等［6］从跨链互操作性出发，总结概括了跨链协议；路爱同等［7］从跨链技术的难点出发介绍了区块链主流跨链技术；徐卓嫣等［8］分析总结了跨链技术的实现方式及现存项目。上述文献虽然进行了较为完整的归纳，但是都没有从跨链技术、协议、应用和跨链交互问题等多个方面从整体上交叉讨论。在区块链跨链领域中，以跨链技术为基础，衍生出了一系列提供跨链标准和流程的跨链协议，进而又向跨链应用方向不断发展，为了更好地实现链与链之间的互联互通，有必要从整体总结分析跨链技术、跨链协议以及跨链应用。

1 跨链机制

早期跨链技术的发展主要应用在金融领域，满足不同区块链之间资产转移的需求，后期跨链技术的发展则将重点放在跨链基础设施建设上，建立统一的协议标准或者搭建全新的多链架构。根据跨链技术的工作原理和实现方式，本文将跨链技术分为3类：基于哈希锁定机制的跨链技术、基于公证人机制的跨链技术和基于侧链/中继机制的跨链技术。

1.1　哈希锁定机制

哈希锁定机制是最早一批应用于区块链跨链交易的技术手段，其中原子交换（Atomic Swap）［9］实现了无须第三方仲裁的去中心化的资产交易，拉开了区块链跨链技术研究的序幕。原子交换指在点对点的基础上实现两种加密货币的交换，无须第三方介入，整个交换操作只有成功或失败状态，不存在第三种状态，也不存在交易一方在交易中违约的风险。

哈希锁定概念出自比特币的闪电网络［10］，核心是哈希时间锁，是一种利用杂凑函数和区块链交易时间差将资产锁定在合约内的跨链机制。哈希锁定只能实现不同区块链系统间的资产交换，即在各链资产总量不变的情况下，通过在本链更换资产的所有权达到交换的目的，无法真正将资产转移到另一条链上，因此基于哈希锁定机制的跨链技术多用于金融领域，应用场景受到限制。哈希锁定机制的工作原理是通过在两条区块链上运行特定的智能合约，在不可信的网络环境中实现资产跨链交换，具体流程如图1所示。

2）用户A通过和1在区块链Ⅰ上创建锁定资产智能合约，该智能合约会锁定A用来交易的资产a，只有在1内提供随机密钥才能够通过该合约的验证，解锁资产，并自动将资产a转移给解锁用户；

3）用户B通过和2在区块链Ⅱ上创建锁定资产智能合约，并往合约中存取和资产a等同价值的加密货币（资产b），该智能合约会锁定资产b，只有在2内提供随机密钥才能够通过该合约的验证，解锁资产，并自动将资产b转移给解锁用户；

4）用户B确定用户A的资产a已经被锁定，确保1>2；

5）用户A确定用户B的资产b已经被锁定，确保1>2；

6）用户A使用随机密钥解锁用户B设置的智能合约，将资产b转移给自己；

7）用户B在用户A解锁资产b的时候获得随机密钥，用户B使用解锁用户A设置的智能合约，将资产a转移给自己，资产交换完成；

8）1和2任意一个时间阈值超时后，交易结束，回撤双方资产。

图1　基于哈希锁定机制的资产交换流程

哈希锁定是目前在技术上最容易实现的跨链机制，如果双方支持智能合约，具备超时机制和最终确定性，无须改变底层结构便可跨链交易。哈希锁定可以不依赖资产买卖双方以外的节点提供实时的证明数据，交易的正确推进只依赖于智能合约和算法协议。

基于哈希锁定机制的跨链技术对区块链系统的整体安全性有较高的要求。要求每个参与方均能够验证对方账本信息以及身份信息的真实性，实现对交易信息的验证与确认；设立预警机制，防止参与一方未能及时处理相关事件造成交易原子性的丧失；建立当底层架构发生故障时保护双方交易的应急处理机制，在技术上确保实时监控和及时处理交易过程中的事务，防止买卖双方资产的损失；设计合理的激励机制，对维护交易正常运行的参与者给予奖励，对违反交易规则的参与者给予惩罚。

1.2　公证人机制

公证人机制主要通过第三方公证人监督和协调跨链交易的正确运行，其中Interledger［11］是最早的基于公证人机制的跨链项目，它的交易模式为两种：一是原子模式，由参与者选取一组公证人协调交易；二是通用模式，通过相关激励和惩罚措施保证交易的安全进行。在原子模式中，由第三方公证人监督并保证交易的正确执行，公证人只有在发起方获得收据凭证且接收方收到支付证明并达成共识后，才会同意释放各分类账上被托管的资金，同时公证人也会保证连接者一旦完成转账后，他们会获得由发起方提供的部分资金奖励作为手续费。

公证人机制的实现方式包括3种：单签名公证人机制、多签名公证人机制和分布式签名公证人机制。单签名公证人机制通常选取一个可信节点作为公证人，充当交易确认者和冲突仲裁者的角色，实现方式简单，兼容性好，但是存在中心化风险。多签名公证人机制指交易需要多个公证人共同签名且达成共识后才能被确认，在一定程度上解决了单签名公证人机制的过度中心化问题；另一方面，通过在公证人组中引入跨链批处理技术，减少重复签名确认，有效提升跨链交易的速度［12］。分布式签名公证人机制通过使用分布式密钥生成、门限签名等密码学技术，将密钥拆分成多个密钥碎片随机地分发给多个公证人，只有当满足一定比例数量的公证人签名且拼凑出完整的密钥，才可完成对交易的签名确认，去中心化程度高，应用范围广，但是实现复杂。

公证人机制支持接入多种异构链，选举一个或多个可信节点作为公证人，这些公证人节点需要能够在两条区块链上的客户端上正常运行，通过验证和转发跨链信息的，在规定的时间内按照智能合约程序采取相应的措施，确保跨链交易流程准确顺利地推进。公证人机制的交换模型是假设两个不同的区块链Ⅰ和Ⅱ，它们无法直接进行交互，如果存在一个可信的第三方公证人能够同时被用户A和用户B信任，那么可以由这个可信的第三方公证人负责用户A和用户B的资产交换。具体交换流程如图2所示。

图2　基于公证人机制的资产交换流程

1）交易开始，用户A将一定的资金转入到公证人在区块链Ⅰ上的地址中，由公证人进行资金托管，保证资金的安全性；

2）链Ⅰ会生成一个交易凭证，凭证里包含用户A的输出证明、身份信息和赎买信息等数据，发送给公证人用于证明资产已经转入公证人在链Ⅰ上的地址；

3）用户B将等额资金转入到公证人在区块链Ⅱ上的地址中，进行资金托管；

4）链Ⅱ会生成一个交易凭证，凭证里包含用户B的输出证明、身份信息、赎买信息等数据，发送给公证人用于证明资产已经转入公证人在链Ⅱ上的地址；

5）公证人通过双方交易凭证和其他交易验证条件，验证双方的交易，确认交易的有效性；

6）公证人同时释放资产：在链Ⅰ中，将之前托管的用户A的资金从公证人地址转移到用户B在链Ⅰ中的地址上；在链Ⅱ中，将之前托管的用户B的资金从公证人地址转移到用户A在链Ⅱ中的地址上。

公证人机制由于引入了第三方机构或组织，尽管有成熟的选举策略，但区块链之间的资产交换和数据流通依赖于公证人的诚实性，存在中心化的风险，违背了区块链去中心化的特性。

基于公证人机制的跨链技术要求充分评估参与的各个区块链系统的安全性。对选取的公证人进行身份认定，并实行公证人资质准入政策，在技术和实现机制上防止公证人泄露相关跨链信息，确保公证人群体系统内外的安全性；参与方应向公证人及时提供可信的验证信息，以便公证人实现实时监督交易行为；对公证人群体设计合理的激励机制，对于诚实的公证人提供奖励，对于作恶的公证人给予严厉惩罚，依此维护跨链交易的稳定与安全。

1.3　侧链/中继机制

基于侧链/中继机制的跨链技术是目前使用量最多，应用最广的一种跨链方式。其中侧链［13］被定义为可以验证来自其他区块链数据的区块链，一般通过简单支付验证（Simplified Payment Verification， SPV）［14］证明验证数据，能够间接地扩展主链的性能和功能，同时侧链还可以用于确认其他链的交易状态，在保证数据安全方面具有十分重要的作用。中继链［15］是侧链的有效继承，融合部分公证人机制特性，进一步提高了可扩展性，整个交互过程，中继链一般负责交易数据的收集和转发，不参与交易信息的验证，不从属任意一条区块链，更多体现的是桥接的功能。

目前在区块链研究领域中，侧链更多指的是锚定式侧链，主要通过锚定技术来实现资产的跨链交换，其中双向锚定机制可以使主链和侧链之间的加密货币以一个确定性的汇率转入和转出。交易开始，主链中锁定部分资产并通知侧链，侧链获得主链资产已被锁定的消息后，会将等价的数字资产在侧链中释放；侧链资产返回给主链时，需将等价资产在侧链上重新锁定后，主链之前被锁定的资产才可以被释放。具体实现方式有：单一托管模式、联盟模式、驱动链模式和SPV模式，其中SPV模式应用最为广泛。

1）单一托管模式指在主链上指定一个特殊的托管方（比如交易所），当托管方接收到主链资产锁定信息后，在侧链释放等价的资产。

2）联盟模式即公证人模式，由多个公证人的多重签名共同确认侧链的数字资产流动，相较于单一托管模式减少了中心化风险。

3）驱动链模式是用交易处理节点（矿工）代表公证人，负责资金的托管和解锁，将资产的监管权发放到交易处理节点手上，由节点投票决定何时解锁资产以及将资产发送到何方，诚实节点参与程度越高，整体系统的安全性也就越大。

4）SPV模式是通过将数字资产发给主链的一个特殊地址，再创建一个SPV证明给侧链，侧链根据SPV证明发起一个交易在链上解锁相应的资产。

SPV证明包含一个展示工作量证明的区块头列表和一个展示列表中的某一区块中存在某项输出的密码学证明，用来验证某项交易是否存在，基于SPV证明无须查询所有账本信息即可验证支付信息。SPV模式下的双向锚定工作原理如图3所示。

1）主链向侧链转移加密货币。交易开始，主链将待转出的加密货币发送到一个特殊的输出进行资产锁定，该输出只能通过侧链上的SPV持有证明才能解锁。

2）在主链上等待一个确认时间，确认阶段的目的是确保生成足够的工作量，从而抵抗拒绝服务攻击。

3）确认阶段结束后，主链向侧链提供锁定资产交易的SPV证明，证明资产已被锁定且生成了足够的工作量。

4）侧链根据SPV证明可以在链上产生一笔铸币交易，生成的侧链代币暂时处于锁定状态，需要等待一个重构时间。

5）重构阶段的目的是防止双重花费。如果在重构期间，其他节点发布了一个新的证明，该证明包含更多的工作量且不包括之前创建锁定输出的信息，那么侧链铸币交易将会失效，称此证明为重组证明。

6）重构阶段结束后，侧链新生成的代币和主链被锁定的加密货币拥有相同的价值，可以在侧链自由转移，无须与主链进一步交互。

7）侧链代币返回主链，采取反向操作，重复上述流程。

图3　SPV模式下的双向锚定

侧链和中继并没有严格的区分，两者的技术原理存在一定共性。其中侧链和主链存在从属关系，侧链一般锚定主链，主链可以不知道侧链的存在，但侧链必须知道主链的存在，因此侧链的发展受到主链的影响，可以被认为是一种强耦合结构的跨链机制。中继链不存在从属关系，中继链在跨链交互过程中更多承担桥接功能，负责数据的收集与转发，因此可以被认为是一种松耦合结构的跨链机制。

基于侧链/中继机制的跨链技术要求有效地验证跨链交易信息。SPV锚定模式主要通过区块头实现对交易信息的验证，由于无法获取网络上所有的交易信息，因此难以实现全面验证，攻击者可以采用较小的代价对侧链展开51%攻击［16］，一旦成功攻破侧链，攻击者就可以创建出一条更长的侧链主链，产生双花问题甚至在侧链产生新的数字加密货币，对整个系统造成重大的破坏，因此一般需要制定一套跨链协议保障跨链交互流程的正确推进。

1.4　跨链机制对比分析

对比分析3种跨链机制的不同特性，如表1所示。

表1　跨链机制对比分析

在互操作性方面，3种跨链机制均支持链与链之间的资产交换、资产抵押和数据流通操作，相较于另外两种跨链机制，侧链/中继机制进一步满足了不同区块链间的资产转移与业务协同需求，因此具有更高的互操作性。在安全性和交易效能方面，哈希锁定机制中交易的推进只依赖于智能合约和算法协议，具有安全性高、实现难度低等优势。在验证与监管方面，公证人机制中的公证人在整个跨链交互过程中同时承担验证者与监管者的角色，具有中心化程度高特点，因此交易速度比另外两种机制快。在可扩展性方面，侧链/中继机制中继链只负责消息的收集与转发，在基础条件和数量上没有严格限制，可扩展性良好。总体上，目前并没有完整普适的跨链机制或跨链标准，在实际应用过程中应结合自身条件，综合考虑各类跨链机制的优劣，选择合适的跨链技术来解决相应的问题。

2 跨链协议

跨链协议依托于跨链机制，通过定义一系列通信数据格式、接口规范、跨链流程等，实现同构或异构区块链间的通信交互并达成跨链事务同步。根据跨链协议中所运用的基本跨链机制，本文将跨链协议分为3个类别：基于哈希锁定机制的跨链协议、基于公证人机制的跨链协议和基于侧链/中继机制的跨链协议。

评价跨链协议的指标主要包括可靠性、隐私性、可扩展性和可监管性等，其中：可靠性指交易运行前后的系统的稳定程度，表示当交易过程中任何一方出错偏离时，协议诚实一方最终遭受损失的程度；隐私性指跨链交易和双方账本上的内部交易的不可区分性、交易信息的隐藏机制以及交易数据的访问控制；可扩展性指共识机制的最终确定性要求、交易网络支持区块链系统接入数量的多少以及协议是否支持同构链和异构链的可信交互；可监管性指协议中是否存在监管模型，是否能够快速定位、随时终止交易，是否支持身份认证和对交易数据的完整记录。本章将从可靠性、隐私性、可扩展性、可监管性、跨链类别，以及协议所具有优势和劣势这7个方面对比分析各类型跨链协议。

2.1　基于哈希锁定机制的跨链协议

基于哈希锁定的跨链协议主要应用于不同区块链之间的跨链资产交换，定义了资产交换的一般性要求与规范，并通过智能合约保证相关事务的自动执行。该类型协议允许当发送方转移资金的同时接收方能够在特定的时间内接收资金，进而确保资产跨链交换的原子性。

跨链原子交换协议（Cross Chain Atomic Swap Protocol， CCASP）［17］通过创建新的密码原语AVTC（Attribute Verifiable Timed Commitment），强制执行诚实一方的行为，消除了跨链原子交换过程中区块链派生时间的需要，允许交易双方即时终止交换。在原子交换过程中若有一方想要终止交易，在取得对方同意后，不需要等到超时时间，双方就可以终止交换，解锁被托管的资金；如果一方想要终止，另一方不同意，终止方则可以进行一个时间周期的串行计算，计算出由AVTC构建的哈希谜题的答案后便可回收资产。

三阶段协议（Three-Phase Protocol， 3PP）［18］基于有向图（），其中：是顶点的有限集合，代指各个交易方；是边的有限集合，代指资产转移过程。3PP具体执行流程为：第一阶段，由领导者创建跨链交易合约（包含众多待处理的交易信息），追随者验证合约有效性并遵从合约；第二阶段，领导者发布并传播合约的相关密钥，以便各方能够从即将执行的合约中获得资产；第三阶段，各方充分传播合约密钥。3PP通过“端到端”新属性，保证了跨链交易的原子性，实现了当发送方转移资金时接收方能同时接收资金。另一方面，协议支持将多方跨链交易转换为双方跨链交易，具有兼容统一的优点。

抵御悲伤攻击的原子交换（Grief-Free Atomic Swaps， GFAS）协议［19］在不改变比特币本身特性的情况下，能够有效解决悲伤攻击可能造成的资金损失的问题。在资产交换过程中，交易双方除了准备用于交换的本金外，还需额外增加一笔保险费，保险费和本金耦合并随本金流动。本金的交换按照合约流程正常进行，保险费则用于保障诚实一方资金的安全，如果其中一方违约想要终止交易，须先抵押一定的保险费给诚实一方作为损失补偿。若诚实方在交易终止后没有损失，会解锁违约方被锁定的保险费并返还给违约方。

保护隐私的跨链原子交换（Privacy Preserving Cross-Chain Swaps， PPCCS）协议［20］以交易的匿名性、机密性和不可区分性的形式将原子交换中不同的隐私概念形式化，进一步从中抽象出原子泄密的新原语，并将新原语用于一个预先决定的事务，实现了在没有第三方可信中介情况下两个实体之间跨链资产交换的私有性。

NCASP［21］在Fabric区块链中引入账户体系，融合智能合约技术实现了在以太坊和Fabric联盟链网络之间的安全无缝资产交换。NCASP中的中间账户在每笔转账合约中负责资产的托管和转移，并在交易完成后及时销毁，无须第三方区块链介入，即可有效保证资产原子交换的交易速率和安全性。

跨链资产转移协议（Cross-Blockchain Asset Transfer Protocol， CBATP）［22］定义了跨链资产转移的一般性要求与规范，该协议要求定量资产在发起区块链上销毁的同时，目标区块链会在特定的时间内创建等量资产，整个资产的销毁和创建操作均通过智能合约实现。该协议支持不同区块链系统间资产的自由转移，并满足最终性要求。

Burn-to-Claim协议［23］用来实现不同区块链之间资产的无缝交换。该协议有两个重要组件：exitTransaction组件用于锁定资产，生成可自我验证的证明；entryTransaction组件用于验证证明的有效性，以便重新创建资产。通过基于两个组件生成的exit交易和entry交易，实现了去中心化的资产转移。另一方面，该协议要求必须有足够数量的节点验证交易以满足系统的安全性。

基于哈希锁定机制的跨链协议特性的具体对比分析如表2所示。

表2　基于哈希锁定机制的跨链协议对比分析

2.2　基于公证人机制的跨链协议

基于公证人机制的跨链协议由于和区块链技术去中心化的特性冲突，因此该类别的跨链协议主要集中于优化与改进基于公证人机制的跨链技术，即降低对单个节点或单个区块链的依赖，使整个交互网络具有更高的安全性与高效性。

周期性委员会轮换机制（Periodical Committee Rotation Mechanism， PCRM）协议［24］支持多个异构区块链间的信息交换，基于面向消息的验证机制，协议中委员会节点将收集区块链的基础数据转换为统一的交易数据格式，之后由委员会节点组成的中继链进行验证和广播，提高了异构链的可信访问速率。该协议定期对委员会成员进行重组，优先更换宕机节点，能够有效保证系统的可靠性。

兼容的跨链交换系统（Compatible Cross-Chain Exchange System， CCCES）协议［25］支持任何类型区块链之间的资产交换。协议包括3个部分：Existing Chain指参与交换的区块链系统集合，支持任何类型区块链系统的接入；Data Oracle从链外获取数据，可以为其他组件提供给可靠的数据参考；Practical AgentChain提供跨链交换服务，区块链上的客户端将自己的资产映射到Practical AgentChain链上换取相应的可以自由公平交换的代币，并通过链上的由众多用户自发组成的交易池完成资产交换。该协议同时结合智能合约技术，建立了负责任的信誉系统和分布式仲裁机制，进一步提高了系统的可靠性。

确定性跨区块链代币转移（Deterministic Cross-blockchain Token Transfers， DeXTT）协议［26］支持交换任意区块链上的任何资产。基于区块链之间严格一致性的限制，该协议利用索赔优先交易和确定性见证等概念为跨区块链代币传输提供最终一致性，确保代币以分散和可信的方式转移。协议中定义了能够同时存在多个区块链上的新型代币PBT（Pan-Blockchain Token），降低了对单个区块链的依赖性和风险，实现了各区块链上代币余额的同步。

XCLAIM协议［27］由支持区块链、发行区块链和保险库这3个模块组成，其中：支持区块链进行资产抵押，发行区块链发行资产代币，第三方保险库负责完成资产的锁定与赎回。3个模块协同实现跨链资产交易，具有速度快、效率高、成本低的优势。

以上基于公证人机制的跨链协议的对比结果见表3。

表3　基于公证人机制的跨链协议对比分析

2.3　基于侧链/中继的跨链协议

基于侧链/中继机制的跨链协议定义了一系列平行链和中继链的交互标准，包括交互端口、验证模型、交易方法和路由信息等组件，以此实现不同区块链之间的可信交互。与其他类跨链协议相比，该类协议的应用场景更加广泛。

IBC协议［28］是一种端到端的、面向连接的、有状态的协议，依托于Cosmos应用平台，统一了不同区块链之间跨链交互的通信标准，具有良好的可靠性、安全性和互操作性。该协议由客户端、连接、通道和中继器组成，客户端抽象封装了实现区块链间通信协议的账本共识算法需要满足的属性，用来验证交易的合法性与有效性；连接为抽象性概念，表示客户端之间的握手连接过程；通道指两个分类账本之间传递数据包的管道，主要确保数据包单次有序地发送；中继器负责账本之间的数据传输。

XCMP协议［29］应用于Polkadot平台中平行链之间的跨链通信，具有快速、有序性、可验证性和一致性的优势。该协议分为2个部分：跨链消息的分发和跨链消息的存取。跨链消息的分发指两条平行链之间信息的双向传递必须开通两个通道，由平行链上的收集人收集跨链信息，中继链上的验证人验证信息并负责把发起链出口队列中的信息转移到目标链的入口队列中，钓鱼人负责监管整个信息传输过程；跨链消息的存取指当目标链收到消息后，会将跨链信息和一系列证明整理并提交给验证人完成上链操作，达成最终一致性。

通用的跨链传输协议（Inter-Blockchain Transfer Protocol， IBTP）［30］应用于BitXHub平台，支持异构区块链间交易的可信验证和可靠传递。协议通过简洁的方式定义了跨链信息的必要元素，比如来源和目的链ID信息、索引信息、版本信息和跨链合约调用的编码信息等，使得中继链可以更灵活迅速地验证和转发跨链消息。该协议跨链交易的原理为：发起链发起跨链交易并抛出跨链事件，跨链网关收集跨链交易信息并在保证跨链交易有序性的同时提交给中继链，中继链验证跨链交易信息的可靠性并构建可靠路由，最后接收链通过网关从中继链同步跨链交易信息，完成跨链交易信息的传输。

多区块链通信和联合协议（Multi-Blockchain Communication and Consociation Protocol， MBCCP）［31］用于解决异构区块链系统间的连接问题与信任问题。协议将中继链方案的思想与Fabric中的通道模式结合，由锚定中继链与平行链建立连接，通过在不同区块链之间创建对等节点，并在对等点间创建对等匹配通道实现跨链信息的可信传输。

分布式加密货币交易方案（Distributed Cryptocurrency Trading Scheme， DCTS）［32］是一种基于智能合约的分布式加密货币交易方案，解决集中交易的问题。通过以太作坊作为中继链，将不同种类的加密货币之间的交易联系起来，实现了不同类型加密货币之间的安全交易。

跨链工作流模型（Cross-Chain Workflow Model， CCWM）［33］以中继链为中心，以统一的方式定义、执行和管理跨链流程，能够并行处理多个区块链之间的输入和输出。该协议模型具有3种基本的跨链工作流：共识工作流用于中继链和平行链之间更新或开始新的工作流；执行工作流会严格按照相应的标准完成所有模块的执行；查询工作流是将中继链查询的结果返回给平行链作为新的输入数据。

以上基于侧链/中继机制的跨链协议的对比分析结果如表4所示。

表4　基于侧链/中继机制的跨链协议对比分析

3 跨链应用

区块链跨链技术通过搭建全新的平台架构使链与链之间的跨链交互成为了可能，它的安全性、隐私性和可用性已经在多个领域内得到了良好的证明。在金融领域，跨链技术满足了不同区块链之间资产交换的需求，实现了包括原生质押、NFT（Non-Fungible Token）交易［34］、代币交换、金融证券结算等众多功能，在医疗领域实现了医疗信息的可信共享，在物联网领域解决了物联网环境下的安全认证以及数据的可信采集等问题，在能源领域提高了能源交易系统的安全性与隐私性，在协同教育［35］、供应链管理［36］等领域也均取得了不错的进展。

Cosmos［28］平台明确展示了区块链链联网的理念，由中继链转发跨链信息，从而创建一个支持异构链接入的跨链平台。其中Tendermint Core共识引擎和IBC协议是Cosmos搭建全新多链架构的重要组成部分：Tendermint Core共识引擎基于拜占庭容错（Byzantine Fault Tolerance， BFT）算法，将区块链网络层和共识层打包成通用组件，统一隔离管理底层架构中复杂的协议，通过ABCI（Application BlockChain Interface）连接到区块链应用程序，开发者可以使用任何语言对区块链应用程序进行编程；IBC协议统一了不同区块链间的跨链沟通的标准，网络设计由Hub枢纽和Zone分区组成，枢纽为跨链交互网络的各分区建立连接，所有分区的信息传输都通过枢纽进行，每一个独立运行的区块链作为分区跟枢纽直接通信。

Polkadot［29］是一种可伸缩的异构多链跨链平台，支持众多异构的区块链在非信任、完全去中心化的环境中进行跨链交互，旨在解决区块链系统中伸缩性与隔离性的共性问题。Polkadot由中继链和平行链组成，中继链上存在大量的可验证的、动态同步的数据结构，统一管理共识安全和数据交互；平行链连接在中继链上且独立运行，能够满足Polkadot网络中应用的开发和部署需求，更容易实现隐私保护和形式化验证。系统由收集者、验证者、提名者和钓鱼者四种角色来维护平行链之间的可信交互。

BitXHub［30］是基于IBTP跨链协议构建的异构区块链操作平台，允许异构链之间进行资产交换、信息互通、服务互补以及合约调用。平台由应用链、中继链和跨链网关构成，其中：应用链负责具体的业务逻辑，中继链负责应用链之间消息的验证、路由的选取以及跨链去中心应用程序的管理，跨链网关负责跨链交易的收集以及跨链交易的转发等事务。平台具有通用的跨链传输协议、异构交易验证引擎、多层级路由三大核心功能，保证了跨链交易的安全性、灵活性与可靠性。

Bancor［37］基于智能合约构建了一套去中心化的流动性网络，解决了小额数字货币的流动性问题，实现了不同区块链间数字货币的自动化交换。Stader［38］为POS（Proof-Of-Stake）网络创建模块化原生质押智能合约，用户通过它的平台可以方便地、安全地进行抵押。Poly Network［39］通过异构链跨链桥技术在原链上部署智能合约控制跨链操作，从协议层一举打通各个异构链之间甚至各个主流公链之间的交易和通信，它所搭建的跨链桥Poly Bridge可实现不同主链间的NFT代币交换和NFT跨链合约调用，使加密货币之间的交易更加便捷高效。

袁昊男等［40］基于Fabric联盟链构建电子病历共享系统（EMR Sharing System），系统采用一种主链基于改进的实用拜占庭容错（Practical BFT， PBFT）共识算法，从链基于投票和信任机制的共识算法（Proof of Vote and Trust， POVT）的主从多链分层跨链模型，实现了患者病历数据的可靠访问与共享。Shao等［41］提出一种基于身份加密的物联网区块链跨链通信机制（IBE-BCIOT），解决了物联网环境下的身份安全认证问题和区块链的跨链通信问题。Lee等［42］为各数字货币中央银行引入一个基于跨链原子交换的区块链结算协议（Settlement Protocol），使各数字货币中央银行的结算周期更加灵活，提高了金融证券市场的结算效率。Zhang等［43］提出了一种基于区块链的能源交易的跨链支付方案（Payment Scheme），通过改进的哈希锁定技术构建可以双向锚定交易的跨链支付通道，提高了支付效率，保护了能源交易中的数据隐私。

以上区块链跨链项目的特性对比分析结果如表5所示。

4 主要问题总结与分析

区块链跨链技术的发展呈现出蓬勃的生命力，有着良好的发展前景，但是依然面临着众多问题与挑战。如图4所示，本文将目前跨链研究领域面临的主要问题进行分类并分别按照以下类别详细阐述：跨链功能性问题、跨链安全性问题、跨链交易效能问题和跨链工程实现问题。

4.1　跨链功能性问题

大多数跨链项目的发展仍然处于初级阶段，对于达到商业应用级别还有一定的距离，尤其是对实现同构链和异构链均适用的混合互操作平台还需要进一步研究，主要原因的跨链技术的发展面临着多个功能性问题。

1）跨链交易的原子性［44］。

原子交换是保证跨链安全交易的基础，一笔交易在发起之后只有成功和失败两种状态，不存在第三种中间状态。交易原子性的目的是确保在整个交易流程中买卖双方加密货币的安全，加密货币从发起方到接收方，中间会经过多个区块链，由于这些区块链系统彼此的交易都是独立的，任何一个环节都可能造成加密货币的流失，因此必须采取合理的方式确保双方资产在交易过程的安全，要么成功到达接收方，要么回撤给发起方。

图4　跨链主要问题

2）资产的留置和独立流通。

交易的原子性要求双方的资产能够根据相关触发条件自动执行冻结和解锁操作，这就要求交易双方支持资产的留置与独立流通［45］。资产留置指一条链上的资产被锁定，解锁条件取决于另外一条链所触发的事务。资产的独立流通指在资产转移过程中，需要减少一条链上的资产，再在对应的另一条链上增加等价的资产，这些新增加的资产和链上原有的资产具有同等地位，允许在链上独立流通，这种转移使每条链上的资产都发生了变化；而在资产交换过程中，两条链并没有进行实质性的交换，交易双方资产总量也没有发生变化，仅仅是在链上更换了资产的所有权。

3）安全可靠的跨链信息路由。

跨链交易信息从发起方到达接收方，在不同的区块链间传播，因此网络拓扑提供路由距离最短和手续费最低的路径信息将是保证交易长期高效、稳定运行的关键［46］。在基于中继机制的跨链交互网络中，交易信息的发送者和接收者是平行链，中继链负责数据的收集和转发，而在转发过程中，跨链协议应当根据网络全局或局部信息、交易成本、路径长短、处理延迟等条件，按照协议原则找到交易双方间的可用路径集合，并基于该路径集合完成中继链对交易信息的转发。

4）读取和验证其他链的状态或者信息。

跨链交互过程中，一条链上智能合约的触发和执行，可能需要其他链或外部的信息和数据［47］。读取和验证其他链的状态或者信息，主要包括两方面内容：一是买卖双方均能够验证彼此交易信息的合法性与有效性，包括跨链消息的真实性证明、跨链消息的有效性证明和跨链消息执行结果证明；二是能根据接收到的信息确保相关事件的执行。区块链系统具有去中心化特性，在不信任的网络环境中和其他区块链进行交易，从外部接收信息的可靠性是跨链交互的基础，因此具备他链信息或事件的读取与验证能力是跨链技术的核心难点与关键点。

4.2　跨链安全性问题

在设计之初，区块链跨链技术就设计了很多重要机制来保证跨链交易的安全进行，比如通过跨链交易的原子性保证交易流程的同步，资产的留置和独立流通保护双方资产的安全以及跨链信息路由确保信息在不同区块链间有序可靠地传输等，以防止恶意攻击对链与链之间的可信交互造成破坏。然而，随着区块链跨链技术的发展、应用场景的扩大，它的安全性问题也日益严峻。通过对区块链跨链领域安全问题的总结与分析，结合区块链跨链技术所面临的实际情况，可以得出跨链安全性问题主要有跨链数据安全、跨链资产安全、跨链隐私安全、跨链合约安全、跨链共识协议安全、信息同步安全和外部攻击安全。

1）跨链数据安全。数据安全是区块链技术面临的基本安全问题［48］，区块链作为一个去中心化分布式存储的账本，需要存储交易信息、用户信息、资产信息等海量数据，这些数据至关重要，而在跨链交互过程中，涉及的数据将更为庞大，因此，数据安全也是区块链跨链技术首先要考虑的安全问题。跨链数据安全包括数据存储安全、数据访问安全、数据共享安全和数据隐私安全，安全程度可从保密性、完整性和可用性定性分析。

2）跨链资产安全。跨链资产安全性问题包含两个方面：一是用户能够实时控制自己的资产，当跨链交易过程中出现问题时，用户能够及时收回属于自己的加密货币；二是不同区块链之间资产交换时的汇率波动问题，资产交换一旦开始，为保证区块链自身资产总值的不变性，交易双方的资产将会被冻结，并按照预先设定好的汇率转入转出。提高跨链交易过程中资产的安全性，可以建立相关监管模型，通过实时读取交易数据，自动执行相关合约事件，实现对资金自动化监管［49］。

3）跨链隐私安全。隐私信息指在交易过程中身份信息、资产信息、交易信息等用户不愿意公开的信息［50］。在跨链交互过程中，由于交易双方的账本都是公开的，任何人都可以从链上获取所有交易数据，恶意用户通过大量的数据样本结合相关数据分析技术就能够获得很多有价值的重要信息，从而对其他用户的隐私安全造成威胁。针对这方面的威胁，可以引入地址混淆、信息隐藏和通道隔离等隐私保护机制，从4个方面加强隐私保护，包括交易数据的隐私保护、身份信息的隐私保护、跨链合约的隐私保护和通信网络的隐私保护［51］。

4）跨链合约安全。智能合约安全关乎跨链流程的准确运行，可以划分为编写安全和运行安全两个部分［52］。编写安全要求开发人员使用兼容安全的编程语言对跨链交互流程设计完善的合约文本，避免因为合约执行异常导致用户资产的流失或信息数据的泄露，确保交互流程在逻辑上和编译后的运行上没有漏洞。运行安全要求智能合约的运行具有稳健性，链与链之间的交易是在不可信的网络环境中运行的，一旦出现漏洞或者被恶意攻击，能够防止交互网络的大面积失效以及数据的泄露。

5）共识协议安全。区块链常见的共识机制有工作量证明机制（Proof Of Work， POW）、权益证明机制（POS）、委托权益证明机制（Delegated POS， DPOS）等［53］，这些共识算法应用在区块链内部交易过程中，具有一定的容错能力，即使出现网络故障、恶意节点攻击等情况依然能够对区块数据达成共识。而在不同区块链交互过程中，会出现类似于基于POW共识的比特币和基于POS共识的以太币进行跨链交易的情况，由于缺乏统一的共识算法，对交易结果在链与链之间达成最后共识，完成最终的上链操作带来极大的不确定性。

6）信息同步安全。区块链跨链交互的过程也是一个信息同步的过程，如何确保信息在不可信的网络中从一方安全可信地到达另一方，信息同步安全就显得尤为重要。信息同步安全包含两个方面：一是如何从链外获取正确有效的信息，此时会面临孤块问题、跨链重放攻击和长距离攻击等此类造成区块失效或者侧链失效的问题；二是在已经确认获取的信息是安全可靠的同时如何保证这些信息能够准确地传输到链上，此时会面临网络阻塞、日蚀攻击、粉尘攻击等一系列网络通信问题。

7）外部攻击安全。随着数字货币价格的持续上升，它的经济价值逐渐被重视，虽然区块链采用多种安全防护机制来保护系统的安全性，但是随着链与链之间在不可信的网络环境中进行交互，交易信息和身份信息等数据的传播与验证、智能合约的执行机制和时间局限、用户钱包等都处在一个相对开放的环境中，更容易遭受外部攻击。另一方面，量子科学技术的发展对基于密码学的区块链系统产生了严重威胁［54］，它具有超强的并行计算能力和指数级的存储容量，已经破解了区块链底层加密算法，如哈希函数、对称加密算法等，当区块链系统不再安全，跨链技术的发展也将受到阻碍。

4.3　跨链交易效能问题

由于区块链去中心化特性，各系统的共识机制虽有不同，但本质上系统中的每一笔交易都需要全网的节点共识，每个节点都有自己的账本，并在共识过程中完成对账本的修改，达成最终一致性，因此，区块链系统确认一笔交易会受到共识机制、系统吞吐量等限制。跨链流程大致可以分为3个过程：交易发布、数据共识和结果上链［55］。完成一轮跨链交易，需要交易双方乃至更多区块链参与进来，相较于区块链系统内部交易效能，跨链交易的整体效能将会面临更加严峻的挑战。

1）交易成本。基于POW共识机制的比特币中，需要支付一定的交易费用给记账节点作为打包区块的奖励，而比特币每秒处理交易数量有限，用户节点若想完成交易上链，不得不增加交易费用以便记账节点打包交易，交易成本不断上升；以太坊交易过程中，由于Gas上限的限制，用户要想完成一次交易面临着同样高昂的交易成本。区块链内部交易花销大，而在不同区块链之间跨链交易，买卖双方在各自的链上均要完成对交易的确认，将会付出双倍甚至更高的代价。例如在原子交换过程中，一笔交易的确认至少要完成4次上链操作，这极大增加了买卖双方的交易负担。

2）交易吞吐量。真正意义上实现链与链之间的互联互通，用户可以在不同的区块链之间自由迅速地完成资产交换、数据流通等操作，这要求整个跨链交互网络能够达到信用卡级别的交易处理能力［56］。然而目前所有的跨链技术都没有达到这个要求，交易吞吐量低已经严重限制了跨链技术的大规模应用。

4.4　跨链工程实现问题

链与链之间的互操作除了上述关于功能、安全和效能方面的问题外，在跨链项目的实现过程中同样要面临多方面的问题，包括区块链技术本身的局限问题、经济问题和监管问题，主要包括以下4点：

1）区块膨胀问题。区块链技术要求每个节点或者多个节点永久保存账本信息，随着时间的推移以及交易的增加，区块链系统存储的数据将持续增加。当跨链技术成熟后，跨链交互网络中接入的平行区块链将会大幅增加，链与链之间的跨链操作也会更加频繁、复杂，为此需要的存储容量也相应增多。例如在侧链/中继跨链机制中，通过SPV证明确认交易信息的有效性，区块头信息、合约信息等这些数据均会被存储下来，必定面临区块链存储数据过多的情况，造成区块膨胀问题。

2）升级兼容性问题。在整个跨链交互网络中，每一条区块链都是关联的，因此区块链项目在升级更新时，不但需要关注项目本身有关的加密机制、区块大小、新增功能等关键特性，还需考虑和其他区块链项目的交互问题。这就要求区块链项目在版本升级后一方面能够对跨链协议、跨链智能合约［57］和跨链机制等具有良好的兼容性和适用性，另一方面要求新版本也能够和与它相关的区块链项目进行跨链交互。

3）经济问题。经济问题包含用户的交易成本、公证人节点或者验证人节点及其他中间节点产生区块时的有效收益、不同区块链中加密货币的币值的稳定、数据信息在链与链之间传播过程中产生的信息成本和海量交易数据的存储成本等。对此需要建立合理的激励机制，保障中间人节点的交易收益，同时避免跨链总体交易成本过高导致用户的流失，实现纳什均衡［58］，在需求和价格间找到动态平衡点。

4）跨链监管措施缺失问题。随着数字货币的发展，已经出现现有的监管体系与数字货币发展实践不匹配情形［59］。区块链跨链技术的日渐成熟，不同区块链系统之间实现互联互通，将进一步对金融体系与经济运行带来不确定的影响以及衍生风险，因此引入监管措施是未来区块链跨链技术发展的必然趋势；但是，监管措施的引入与区块链技术去中心化、匿名的特性冲突。如何实现既能确保用户隐私安全，同时又能监控恶意节点行为，保证跨链交易的可靠运行，在去中心化和可监管之间达到动态平衡的可控监管技术将成为区块链跨链技术应用发展需要突破的关键技术。

5 结语

本文介绍了区块链跨链技术研究的背景和意义，并从跨链机制、跨链协议和跨链应用这3个方面较为系统地综述了跨链技术相关研究工作。跨链技术是区块链实现互联互通、提升可扩展性的重要技术手段，能够有效解决不同区块链之间的互操作与多融合问题。但是，目前大多数跨链协议和跨链项目依然停留在实验测试阶段，跨链技术应用规模较小，主要原因集中在技术、效能和安全问题上，为此希望将来有合理有效的解决方式。对跨链技术的研究是区块链发展的必然趋势，未来随着跨链技术的标准化与结构化，必将推动区块链技术集成应用的广泛落地和健康发展。

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Cross-chain review： mechanisms， protocols， applications and challenges

CHEN Longfei1，2*， YAO Zhongyuan1，2， PAN Heng1，2， QUAN Gaoyuan1，2， SI Xueming1，2

（1，，450007，；2（），450007，）

With the continuous development of the blockchain technology and its applications， the demand for interoperability among blockchains is increasing. However， the isolation and closeness of blockchain as well as the heterogeneity among different blockchains cause the "island of value" effect of blockchain， which seriously hinder the widespread implementation and sound development of blockchain based integrated applications. Cross-chain technology of blockchain solves the problems of data circulation， value transfer and business collaboration among different blockchains， and is also an important approach to improve the scalability and interoperability of blockchains. According to the degrees of the implementation complexity and the function richness of cross-chain technology， the cross-chain technology of blockchain was summarized and then classified into three types： the basic cross-chain mechanisms， the cross-chain protocols based on these mechanisms， and the cross-chain applications with system architectures. Finally， the existing problems in cross-chain interoperations were summed up， thereby providing systematical and theoretical reference for the further research on cross-chain technology of blockchain.

blockchain; interoperation; cross-chain mechanism; cross-chain protocol; cross-chain application

1001-9081（2023）10-3017-11

10.11772/j.issn.1001-9081.2022111643

2022⁃11⁃02；

2022⁃12⁃02；

河南省重大公益专项（201300210300）；河南省科技攻关项目（222102210168）；河南省网络密码技术重点实验室开放基金资助项目（LNCT2022⁃A12）；嵩山实验室预研项目（YYJC032022021）。

陈龙飞（1996—），男，河南郑州人，硕士研究生，CCF会员，主要研究方向：区块链； 姚中原（1988—），男，河南固始人，讲师，博士，CCF会员，主要研究方向：密码学、区块链； 潘恒（1977—），女，河南新乡人，教授，博士，CCF高级会员，主要研究方向：区块链、网络安全； 权高原（1999—），男，河南南阳人，硕士研究生，CCF会员，主要研究方向：区块链； 斯雪明（1966—），男，浙江诸暨人，教授，CCF会员，主要研究方向：区块链、网络安全。

TP309

A

2022⁃12⁃13。

This work is partially supported by Major Public Welfare Project of Henan Province （201300210300）， Key Science and Technology Project of Henan Province （222102210168）， Open Fund of Henan Key Laboratory of Network Cryptography Technology （LNCT2022-A12）， Pre-research Project of Songshan Laboratory （YYJC032022021）.

CHEN Longfei， born in 1996， M. S. candidate. His research interests include blockchain.

YAO Zhongyuan， born in 1988， Ph. D.， lecturer. His research interests include cryptology， blockchain.

PAN Heng， born in 1977， Ph. D.， professor. Her research interests include blockchain， cybersecurity.

QUAN Gaoyuan， born in 1999， M. S. candidate. His research interests include blockchain.

SI Xueming， born in 1966， professor. His research interests include blockchain， cybersecurity.