从轻客户端角度详解Polkadot与Cosmos的多链机制

来源：Mirror

作者：Jiawei

1、引子

Composable Finance的创始人提出了跨链互操作性的五个发展阶段：

1. 0-20%：实现最基本的跨链通信和链间代币移动；

2. 20-50%：用户能够在不同链上为资产提供流动性，借此实现收益最大化；

3. 50-75%：类似 Aave 这样的项目，使得用户能够在一条链上存入抵押品，同时在另一条链上进行借贷。即实现不同链的应用间通信；

4. 75%：单个应用将其不同部分部署在多条链上，使每个部分都在最高效的链上运行。这些不同链的后端包将相互通信，以确保用户体验的持续性；

5. 100%：生态系统不可知论，提供广泛的Web3生态系统的接口。传统开发者能够任意在链上部署由Web3工具支持的应用，而不需要复杂的区块链编程——抽象掉其中的所有复杂性。

对这些阶段的研判基本确定了我们应如何看待如今的多链格局。抽象来看，我认为Polkadot XCM/XCMP 与Cosmos IBC，以及Substrate与Cosmos SDK，已经分别在做第四、五阶段的事情。

同样作为多链生态，对比Polkadot与Cosmos的体系设计、技术架构的文章已有很多。作为微小的补充，本文将从轻客户端的视角出发，比较各自的跨链通信机制XCMP/IBC以及开发框架Substrate/Cosmos SDK。

最后，提出了一些个人思考作为结尾。

2、架构

正如Cosmos文档中所描述的：「Cosmos不是一个产品，而是一个建立在一组模块化、适应性强和可互相替换工具之上的生态系统」。我对Polkadot的理解亦是如此。

在正文开始之前，我们先从高维层面快速过一遍它们的体系结构。

2.1Polkadot

中继链是Polkadot的核心，平行链之间彼此独立，但统一连接到中继链，以共享其安全性。Collators逐一收集平行链上的交易、生成状态转换证明，提交给中继链，由Validators验证这些证明，并执行共识，在中继链上出块。Nominators负责挑选Validators，并需要为他们质押DOT，以保护中继链。

Polkadot平行链的安全性依赖于中继链，中继链为平行链提供共享安全性和状态一致性。

2.2Cosmos

Cosmos包含两种类型的区块链：Zones和Hubs。Zones是常规的异构链，Hubs则用于把这些Zones连接起来。Zone和Hubs之间的通信和消息传递依赖于IBC（Inter-blockchain Communication）协议。当任意Zone与一个Hub建立IBC连接时，它可以与连接到该Hub的其他Zones进行通信。

Cosmos Hub是整个网络中的第一个Hub，标志着Cosmos网络的启动。

3、通信机制

对两个跨链生态有了基本认识之后，我们来具体看各自的通信机制。

3.1Polkadot XCM/XCMP

Polkadot 采用UMP、DMP在平行链和中继链间进行上、下行的消息传递，并基于 XCMP（Cross-Chain Message Passing）进行平行链间消息传递。XCMP 仍在开发中，目前的实际使用的跨链方案是HRMP（Horizontal Relay-routed Message Passing）。

HRMP提供与XCMP相同的接口和功能，但需要将所有消息放置在中继链的存储（storage）。对中继链而言，产生了额外的消息负载。而XCMP仅仅将与消息关联的元数据哈希存储在中继链。因此HRMP作为暂时的过渡方案，在未来将被XCMP所替代。

上图描述了XCMP的工作原理：

平行链间可以打开双向通道，分别用于接收和发送消息。平行链A和平行链B之间进行XCMP通信，首先需要各自链上的Collators将消息、目的地和时间戳加入到自己的输出队列，而对方监测到消息后，将其加入到自己的输入队列，处理这条消息，并把区块提交给Validators。Validators对消息进行验证，随后将该区块包含在中继链上。这样视作完成一次跨链消息传递。

链与链之间、或是说不同的共识系统之间，消息格式缺乏兼容性，各有各的一套消息传递方式和标准。

如果我们想要进行进一步的跨共识互操作，需要一种更通用的「语言」——高阶地抽象出这些消息的意图，为共识系统间通信的数据报提供一个基本框架。同时需要考虑到智能合约或区块链的潜在升级，所以这样的语言还必须做到前向兼容和可扩展。

今年五月初，Polkadot在其v0.9.19中正式启用了XCM（Cross-consensus Messaging Format），其中跨共识的涵义在于，这种通信格式不仅能在Polkadtot链间的UMP、DMP和XCMP中采用，还能够在智能合约、Pallet、桥以至SPREE（Shared Protected Runtime Execution Enclaves）之间进行通信。（注：Pallet相当于一系列有特定用途、可组合的模块和工具包，例如EVM Pallet的用途是在Substrate链上集成基于Solidty的合约；SPREE模块是一种去信任的消息模块，用于确保在收到消息之后以何种方式执行代码）

需要注意XCM与XCMP的区别。XCM是一种共识系统之间相互通信的「格式」，其效用在于表达接收消息者得到消息应该做什么。而XCMP是一种消息传递的「协议」。

本质上，XCM的消息是运行在非图灵完备虚拟机XCVM（Cross-Consensus Virtual Machine）上的单个或一系列指令，换句话说，XCVM的指令集构成了XCM消息的全部内容。

Polkadot提出XCM和XCMP，实际上是为平行链间通信提供了原生、通用性的支持，这样平行链间能够实现直接通信，而无需依赖专门的跨链桥，使整个Polkadot网络的互操作性在协议层上更加统一。

在XCM启用后不久，MoonBeam与Acala率先宣布启用基于XCM的双向HRMP进行跨链通信，实现两条链上原生资产的自由流动。

例如，Acala上的$ACA和$aUSD可以跨链到MoonBeam，作为XC-20资产（$xcACA和$xcaUSD）实现与以太坊生态的互联互通。MoonBeam的原生代币$GLMR亦可在Acala上作为抵押品来铸造$aUSD或者参与质押。

MoonBeam与Acala两大生态打通XCM连接是一个里程碑事件，象征着Polkadot擘画的跨链图景正在缓缓铺开。随着其他平行链启用基于XCM的跨链通信，我们将看到更多类似的用例，并激发更大的想象空间。

3.2Cosmos IBC

自底向上地，Cosmos的体系依次基于Tendermint Core、IBC和Cosmos SDK，三者分别是BFT共识引擎、跨链通信协议和开发框架。

作为跨链通信协议的IBC于去年3月在Cosmos Stargate升级时正式开始实施，其语义和设计原理由链间标准ICS（Inter-chain Standard）所制定。

类比于互联网通信协议TCP/IP的层级体系，IBC可分解为传输层和应用层。传输层提供必要的基础设施以在链间建立安全连接和验证数据包；应用层准确定义了这些数据包应该如何被发送方打包、以及如何被接收方解释。

上图描述了IBC数据包的生命周期。

IBC采用「锁定-铸造」的资产跨链模型。如上图，Zone A想要将资产跨链转移到Zone B，需要锁定代币并将证明发送给Zone B，经验证后，Zone B在本身链上铸造等量的代币。该过程中资产并非产生了实际转移，而是在Zone A锁定这笔资产，在Zone B重新铸造了等额的同一资产。

最终性（Finality）指的是加密货币交易一旦完成，即无法被任意更改或取消。以上过程描述的是即时最终性的情况。而对于比特币这样的概率最终性区块链，需要引入Peg-Zone作为代理链（注：目前Cosmos与以太坊之间的Peg-Zone是Gravity Bridge），并确定一个最终性的阈值：例如，假定某条链在某笔交易发生之后产出了100个新区块，认为实现了（伪）最终性。

当前， Cosmos 生态中已经囊括39条链、78个验证人，总质押资产价值超过31亿美金。一些潜在的空投机会成为了吸引用户流入Cosmos生态动力之一。但Terra的香消玉殒显然对Cosmos生态造成了巨大破坏，使生态的总锁仓量缩水严重。

3.3轻客户端

根据1kx合伙人Dmitriy对跨链桥的划分，我们从轻客户端的角度来看XCMP和IBC。

轻客户端（或轻节点）最早是区别于全节点的一种说法，用于比特币的简化支付验证（SPV）。更广义来讲，智能合约也可以是轻客户端。这样的轻客户端往往不与链进行直接交互，而依赖全节点作为中介，从全节点请求某种信息，例如发送交易、验证账户余额和请求区块头。

**在跨链通信时，中继者对源链上的事件进行监控，并生成事件的密码学证明，将证明与区块头一起转发到目标链上的智能合约（即轻客户端）。轻客户端验证某一特定事件，并以此为凭据，执行某些动作。**以上我们讨论的Polkadot XCMP和Cosmos IBC都采用了轻客户端模型。

除此之外，NEAR的RainbowBridge也是典型的轻客户端模型。轻客户端作为智能合约，分别部署在以太坊（存储NEAR的区块头）和NEAR（存储以太坊的区块头）上。这些区块头由Relayer进行定期更新，更新频率取决于经济效率上的权衡——在以太坊上更新NEAR的区块头设置为12至16小时。Connector则负责处理特定资产的跨链逻辑（如ERC-20代币或NFT）。

RainbowBridge的速度与开销主要取决于以太坊。将资产从以太坊发送到NEAR大约需要 6分钟（20 个区块）。将资产从 NEAR 发送回以太坊目前最多需要 16 个小时（由于以太坊最终性的时间花费）。

3.4小结

通过上述对XCM/XCMP、IBC和RainbowBridge的梳理，我们对轻客户端模型有了基本的认知。轻客户端的优势在于安全性，通过对某些信息进行验证，两条链之间可以知悉对手链上发生了什么，而无需依赖对外部验证者的信任假设，故安全性基本等同与链本身。

特别地，XCMP的安全性属于Shared Security，依赖于中继链提供的全局安全性，因为跨链消息的验证是由Validators完成的，随后Validators把包含该消息的区块包含到中继链上。

上表中Cosmos的Interchain Security是一种特殊的Shared Security，即多链共享同一验证者集并进行出块。由于一些小型链的验证者较为薄弱，容易受到攻击，因此Interchain Security相当于帮助他们继承成熟网络的安全性。

采用Cosmos IBC的通信需要两条链之间彼此信任，而RainbowBridge则要求NEAR与以太坊之间彼此信任，这也是对区块头进行有效性验证的基本前提。

而轻客户端的缺点在于：对这些证明的验证有着不菲的成本；此外还涉及到连接性的问题，需要为每两条链之间的通信部署轻客户端——当然，Polkadot和Cosmos的原生通信机制很好地解决了生态系统内部的连接性问题。

作为小结，在上表中对XCMP/XCM、Cosmos IBC和NEAR RainbowBridge进行了简要的对比，其中一些数据可能直接涉及到生态间的对比。（RainbowBridge仅仅涉及到NEAR与以太坊的跨链，不像前两者属于跨链生态，但作为轻客户端的一种，我们同样放在这里做个对比。）

4、开发框架

「开箱即用」指一系列现成的软/硬件或工具包，开发者能够直接拿过来使用，而不需要花时间和精力重新实现这些功能。

**Substrate和Cosmos SDK即是这样的框架：对底层逻辑进行封装，提供一些预构建模块，进行灵活、可定制的模块组合，用于搭建区块链与应用。**在互操作性方面，Substrate和Cosmos SDK都分别提供了对Polkadot和Cosmos生态的原生支持。

Substrate提供三种开发方式：Substrate Node预先提供了节点配置，仅需额外配置一个JSON文件即可一键搭链；Substrate FRAME提供了一系列的模块和组件（即上述提到的Pallet），开发者亦可编写Pallet并进行自由组合；Substrate Core更加高维和抽象，开发者可以从头设计运行时（注：运行时本质是状态转换函数，是Substrate中的核心概念，代表链的状态存储以及状态将被如何更改）这三种方式的开发难度和技术灵活度都是递增的。

Polkadot和Kusama都基于Substrate进行开发。但Substrate本身是一种通用化的开发框架，支持与Polkadot的无缝连接，并不意味着所有Substrate都需要与Polkadot有强绑定的关系。

区别于智能合约，Cosmos SDK提出了应用链（Application-specific Blockchains）的概念（也即为单个应用而定制的区块链），并对底层的BFT共识引擎Tendermint Core和网络层进行封装，借助ABCI（Application Blockchain Interface）实现与应用层的连接。

除Cosmos SDK之外还有一些扩展工具作为补充，例如基于JavaScript的DeFi组件Agoric、基于Wasm的智能合约模块CosmWasm以及基于Cosmos SDK的EVM实现Ethermint。

开发框架整体上提供的功能和工具大同小异，在细微处有不同的设计理念，在这里暂不再详细展开。

根据Electric Capital的报告，自2017年起，Web3开发者数量开始实现大幅增长，截至2021年底，有超过18,000名开发者活跃在Web3领域。然而，对比传统开发者而言仍占少数。从行业发展的角度考虑，需要进一步降低链上应用开发的门槛，做好开发者服务。

繁荣的生态会吸引更多优质的开发者加入，毕竟Substrate和Cosmos SDK都强调了接入各自生态的便利性。事实上，选择开发框架也与选择其后的生态密不可分。

4.1小结

同样，我们对Substrate和Cosmos SDK进行了简单的对比。

5、思考与结语

1. 我部分同意「胖应用」的论据（同时协议也未必需要「瘦」）。**在工程上，不同链有不同链的权衡取舍，针对不同目标各自提出了独出心裁的技术方案，但诸如此类基础设施的终极目标是相对一致的——服务于应用。**我们不是要造空中楼阁，抛开应用空谈技术是书生意气。回看18、19年的叙事，动辄「以太坊杀手」、「百万TPS」，用户关心这些吗？也许并不关心。所以应当有一些小而美的应用、用户接受度高的应用，先在链上跑起来。（我认为符合此描述的其中一个应用是NFT Marketplace聚合器gem.xyz, 界面清爽、功能好用，对很多用户来说这就足够了）

2. 以太坊的设计使得建立在其上的应用和协议彼此受限、且不可避免地竞争底层资源。多链生态的起势一定程度上分担了以太坊的压力，但实际上也在蚕食其领先地位。与此同时，在熊市的视角下，以太坊回归到相对合理的Gas费用和交易速度也削弱了资金外流的动力。**短期来看，各条链能否产生「赚钱效应」是吸引用户流入的主要引力（例如DeFi Kingdoms和STEPN）。中长期来看，用户流向与各条链生态的整体质量密不可分。**最终用户会用其资金投票，使链间的竞争关系达到相对均衡。

3. 可组合性、互操作性激发了新的叙事，但隐含的风险同样不容忽视。两年前我们只在 以太坊 上搭乐高，3月12日的极端行情中，协议的层叠嵌套以及枯竭的流动性就引发了系统性风险。在近一年来的多链格局之下，我们有了更多的锚、跨链桥，以及更复杂的协议，但仍未经历那样的严峻考验。Terra帝国的分崩离析也许仅仅是一个先兆。况且，当前市场处于中长期的下行趋势，我们需要如履薄冰，主动预估和评判风险。

4. 需要承认，当前的多链生态依旧有些「虚胖」，一些看似繁荣的生态，说到底是一套协议、一套代码在另一条链上重新开设赌局而已。**生态繁荣与否，不是单纯看项目数的多少，而需要综合评判用户的活跃度和资金的持续性。**此外，资产跨链仍然是当下跨链的主要用例。在未来我们可以期待或者预见一些其他应用场景。一些有趣的用例可能是：在做DID时我们需要评估多链的活动轨迹；在做NFT借贷时我们可以抵押多链的NFT资产；甚至根据多链的资产活动变化以辅助套利决策；诸如此类。

5. 跨链基础设施已经箭在弦上，但真正点燃多链生态需要大规模的增量用户，**仅仅是瞄准存量用户的博弈、仅仅是资金在链间的辗转腾挪，无法带来指数级增长。**考虑到这一点，提供用户友好的入口（例如多链钱包）至关重要。

我们应如何展望未来的多链格局？在上图（截至2021年9月），我们已经看到跨链生态正在变得繁荣起来，虽然在熊市中不可避免地显现颓势，但客观来说，跨链基础设施已经相对完善。（尽管如此，黑客对于跨链设施漏洞的攻击仍然层出不穷，保持乐观，但也应小心谨慎）

合理猜测，下一个大周期的叙事是围绕各个链上优质应用构建起来的多链生态。「搭一条公链，满足所有需求」类似的言论可能会成为历史，毕竟我们的确没有必要在一条链上做完所有事情。期待在未来涌现出更多的应用链。

当下，我们仍处在多链格局的早期阶段。

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