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文章來源：區塊鏈大本營
近期，隨著區塊鏈跨鏈技術 Cosmos 的發佈以及它對以太坊生態系統的潛在威脅，針對區塊鏈互操作性也引發了不少討論。
在這篇文章中，營長就帶你走進 Cosmos 和 Polkadot，結合一定的基礎知識和圖解，保準你能夠在技術層面上對這些協議的認識達到一個新的高度。
首先，你一定要認識到區塊鏈互操作性的重要性。在現有網絡中，你可以通過應用程序的 API 對大量的數據集進行訪問和修改。而在區塊鏈中，數據就被封鎖在某一個鏈中。
那麼，區塊鏈具有互操作性到底意味著什麼呢？
它有以下幾個作用：
- 不需要信任，不同的區塊鏈即可直接安全地進行資產轉移；
- 不同鏈之間的智能合約可以實現交互；
- 某些專用鏈可供其他區塊鏈使用。
在深入探討之前，營長先為你介紹一些去中心化系統的基礎知識，以便幫助你理解後續概念。
去中心化系統
顧名思義，去中心化系統就是一組計算機為實現某一特定目標而共同運作，比如向世界各地的民眾推送相同的內容（如 Twitter 新聞推送）。為實現這一目標，必須克服以下困難：
- 準時：每個系統/電腦都是按照自己的速度和節奏執行相同的任務。
- 次序：由於每個系統都有自己事件的事件和時間線，試圖在什麼時間解決發生的什麼事件還是相當困難的。
- 錯誤：由於系統宕機、系統無法正確接收/發送消息或惡意操作（拜占庭），都可能會導致系統之間協調失敗。
舉個例子來說，人和人之間解決問題最好的方法就是良好的溝通。但這對計算機來說卻比較困難，因為它可以是異步通信，也可以是同步通信。
該如何理解同步和異步呢？
- 同步：每個系統會給每個主機分配特定的時間輪流進行通信，這就好比人與人的面對面對話。
- 異步：每個系統隨時都可以進行通信，並且沒有任何限制，這就好比群聊天。
總而言之，區塊鏈最終實現的是安全性（達成一致輸出）和活躍性（區塊不斷增長和運作）。
如果區塊鏈安全但不活躍，就會停止產生區塊；如果區塊鏈的活躍但不安全，就會產生很多很多分叉。如果不制定規則，就無法辨別哪個是正確的區塊鏈，哪個是分叉。
實用拜占庭容錯算法（PBFT）
Barbara Liskov 和 Miguel Castro 於1999年推出了實用拜占庭容錯算法（PBFT），由於 Cosmos 和 Polkadot 等權益證明鏈的基礎是 PBFT，因此，你很有必要聽營長介紹下它的工作原理。
- 一方監聽大量的交易，直到交易數足以打包成一個區塊，就會停止監聽，稱這一方為“提案者”（proposer），因為他們產生了一個區塊。
- 一旦產生一個區塊，每個人都要參與到“預投票”環節，以確保每個人都監聽的是同一區塊。需要注意的是，這個區塊也可以是錯誤或惡意的，但在“預投票”環節仍然有效，因為在這個環節中，每個人都只是試圖達成共識，即他們收到了相同的數據/區塊。
- 一旦超過2/3的參與者達成共識，即收到了相同的區塊，就會進行“預提交”，隨後，確定這個塊是否有效，且沒有惡意操作。
- 如果超過2/3的參與者認為這個塊有效且正確，就可以成功的提交這個區塊鏈。
- 區塊鏈的高度不斷增加，繼續重複步驟1-5。
以上這些步驟就可以確保每個塊生成的次序是已知的（每提交一個區塊，區塊鏈的長度就會增加），每臺計算機都可以計算出自己的結果並進行實時通報，還能夠處理錯誤（惡意節點提出的區塊）。
接下來，和營長一起探索 Cosmos 和 Polkadot 吧！
互操作性經典案例 — — Cosmos
2016年，Jae Kwon 和 Ethan Buchman 創建了 Cosmos（ATOM），並通過 ICO 為其集資了超過1700萬美元。Cosmos Hub 是允許區塊鏈與其他鏈進行通信的分區（Zone），任何一個使用 PoW 機制的區塊鏈（如比特幣、以太幣、ZCash或特定的應用程序區塊鏈）都必須通過 Inter Blockchain Communication 框架連接到 bridge-zone。
在架構這方面，2014年，Jae Kwon 根據實用拜占庭容錯算法（PBFT），在 Cosmos Hub 中使用了 Tendermint 共識算法。這就意味投票環節（預投票和預提交）中，每個人都分配了固定的時間進行投票，一旦區塊被創建完成，就不可逆，即只要交易處於最終確定的狀態，就可以實現即時通信 & 物聯網支付。由於不需要確認，因此稱為“快速終結（fast finality）”。
用戶可以將持有的 ATOM 作為系統中的驗證器，或將 ATOM 委託給驗證器。最初，Cosmos 設置了100個驗證人，並計劃參考治理參數不斷增加驗證人數，並且，只有為網絡貢獻力量的人才可以參與維護網絡安全。
案例詳解：ETH 轉換為 BTC
為了更加簡單明瞭，下面將 ETH 轉換為 BTC。
- 首先為 ETH 創建一箇中間可信分區（Zone），並設一組驗證人負責將信息從 ETH bridge-zone 轉發到 Cosmos Hub。
- 由於 ETH 和 BTC 存在不確定性（即當前鏈不一定正確），驗證者需要等待一定量的確認函數後，才能保證交易成功。
- 一旦驗證者確定交易處於最終狀態，就可以從所處分區向 Cosmos Hub 發起一筆交易，表明他們確實收到了 ETH，隨後，Cosmos Hub 創建 Wrapped Cosmos Ether，剩餘的所有 Cosmos 分區也會同時獲知：系統中存在新的 Wrapped Cosmos Ether。
- 假設轉換匯率已事先確定，Wrapped Cosmos Ether 將會被換成 Wrapped Cosmos BTC，將這個 Wrapped Cosmos BTC 發送到比特幣中間可信分區，然後發送到指定的 BTC 地址。
在這一過程中，有些假設還得注意：
- Cosmos Hub 需要確保 Wrapped Cosmos 資產餘額能夠正確地遞增/遞減 — — 這是一個潛在的缺陷，不過在 Cosmos 團隊設計的系統中，任何人都能以自己的方式創建 Cosmos Hub。本質上來說，Cosmos 網絡由不同群體運營的 Cosmos Hub 和 Zones 構成。
- 需要確保每個 Zones 可信，且能夠正確轉發資產、發送/接收消息，另外，發送者也必須對驗證人能夠充分信任，即驗證人一定會正確轉發消息而不會竊取資產。
互操作性經典案例 — — Polkadot
Polkadot 由以太坊聯合創始人兼前首席技術官、Web3 基金會總裁 Gavin Wood 創建，並於2017年底發售代幣 DOT，融資超過1.45億美元。如果 Cosmos 是由 Cosmos Hub 和 Zones 構成的開放網絡，那麼 Polkadot 就是單條“中繼鏈”（replay chain），為平行鏈帶來了諸多好處。
Polkadot 有以下幾個關鍵創新點：
- 每條平行鏈的安全性來源於中繼鏈上的驗證者，一旦通過成為平行鏈連接到 Polkadot 網絡，就能同時收穫與 Polkadot 網絡相同級別的安全性；而在 Cosmos 中，每條新鏈都需要驗證者，安全性掌握在自己手中。
- 平行鏈可以使用去信任鏈間通信與其他平行鏈進行交互，想要跨鏈通信的用戶不需要信任與之交互的每一條鏈，而只需要信任整個 Polkadot 網絡具安全性即可，這也與 Cosmos 的工作原理不同：在 Cosmos 中，用戶不需要依靠獨立的驗證者來信任源鏈、中繼鏈和目標鏈。
Polkadot 的共識機制由兩部分組成：GRANDPA 和 BABE。GRANDPA 是一個終結工具，它借鑑了 GHOST 分叉選擇規則的一些原則（如 Ethereum 的 Casper）；而 BABE 是一種類似於 Cardano 的 Ouroboros 區塊生成機制，GRANDPA 允許鏈的一部分“最終化”且不可逆，將終結工具與生成區塊分離，允許效率較低的終結工具在生成區塊的不同流程生效，這意味著區塊的生成有可擴展功能，這與基於 PBFT 的 Cosmos Tendermint 算法不同。
Polkadot 生態系統包含以下幾個角色：
- 校對者（Collators）：為平行鏈生成區塊，並將信息交付至驗證人驗證。
- 提名者（Nominator）：將資金分配給驗證人蔘與權益機制。
- 驗證者（Validator）：對其資金量要求較高，負責打包中繼鏈的新區塊，其作用是：對新區塊進行簽名；參與GRANDPA確認中繼鏈；通過確認交易是否正確，或跨鏈消息是否已處理，對平行鏈區塊進行驗證。
- 釣魚者（fishermen）：審查網絡節點，鑑別惡意行為，像“賞金獵人”一樣，它能夠拿到一大筆報酬。
可以將 Polkadot 看作一個互連的系統，它將想要藉助 bridge-zone 實現通信的各個鏈連接起來，所有的平行鏈和中繼鏈作為一個整體運行。平行鏈可以合併自定義邏輯，並負責處理自己的狀態轉換，同時與其他鏈進行消息轉發與傳遞。通過相互監聽，平行鏈可以自由與其他鏈進行通信，而在 Cosmos 網絡中，所有溝通都必須依賴 Cosmos Hub。
得益於中心設計理念，Polkadot 有很好的結構——平行鏈被動地從連接合約（bridge-contracts）中讀取信息，但並不依靠連接合約在各平行鏈中發送消息。每條平行鏈都有相同的地位，也就是說，Polkadot 跨鏈網絡真正做到了“去信任”，平行鏈的利益與中繼鏈一致，而與其驗證的其他任何平行鏈無關，此外，每隔一段時間，各個鏈也會隨機的重新分配驗證人。
案例詳解：ETH 轉換為 BTC
下面，營長以 ETH 轉換為 BTC 為例，更為直觀的瞭解如何實現平行鏈間的代幣轉換。
以太坊平行鏈上的校對人將區塊頭部信息傳遞給所在平行鏈上的驗證人，驗證人再將以平行鏈可識別、可通信的格式在以太坊連接智能合約中籤名併發布相關交易。任何發送的 ETH 都將由 Polkadot 驗證人持有，同時，驗證人也將提供 DOT 作為無效交易的抵押品。隨後，ETH 平行鏈和 BTC 平行鏈之間創建通信，通過驗證以後，BTC 就會指定一個地址。雖然具體設計決策還未出臺，但是，在跨鏈通信的中心始終是“去信任”。
需要注意的是，通過鏈上的去信任拍賣，Polkadot 分配平行鏈槽（parachain slots），這些拍賣會使 DOT 在一段時間內處於鎖定狀態，以便保持平行鏈和Polkadot網絡的連接。如果平行鏈出現嚴重漏洞，或者是涉嫌參與惡意行為，監管就會介入並著手解決問題。Polkadot 遵循鏈上治理機制，並且將其看作是加密貨幣網絡的最佳管理方式。
正如 Gavin Wood 所說的那樣：
“如果不引入鏈上治理，包括通過各種機制來引導升級的區塊鏈，最終都會被‘有毒的民粹主義’荼毒。我並不認可‘鏈下處理’，‘鏈上信號’和‘粗略共識’能夠為區塊鏈生態系統中的利益相關者提供有效手段，管理和推動區塊鏈的長期進步，我也不認為治理會奏效。”
時間線
雖然互操作性的核心應用實現已經達到了一定的水平，但執行力遠遠不夠。Cosmos 於2019年3月推出，但也只是發佈及運行 Cosmos Hub，接下來的工作就是確定鏈間通信框架的運作方式；而 Polkadot 將於2019年底推出，目前上線的只有中繼鏈。
總的來說，Cosmos 和 Polkadot 的發行令我感到很興奮，我最好奇的就是如何擴大開發人員對其的採用率、如何平衡每條平行鏈以及如何發揮平行鏈的作用。由於當前基礎架構遠不夠完善，開發人員也還得根據需要考慮實現足夠好的安全性所需要的人力及資源，就目前而言，現在創建特定的應用程序鏈還只是一個空談。
在以後的發展過程中是否還需要重新調整目標做出一點妥協？這個很難說，或許以太坊的鏈下治理會為此帶來契機。由於要實現去信任創新的同時，還要保證高度安全性，這一技術的發展相對來說比較緩慢。
另一方面，所有的加密貨幣網絡逐漸開始將安全性委託給其他鏈，比如以太坊。一旦現有社區能夠有較高的安全保障，它們就能專注於發展自己的鏈。MakerDAO 就是一個很好的例子，MakerDAO 有足夠的資源來創建自己的鏈，並且通過成為 Polkadot 平行鏈的一部分來獲取足夠的支持，如果無法保證足夠的支持，它還可以在 Cosmos 上建立一個 bridge-zone 保障其安全。Polkadot 計劃則為無法保障安全性但可以實現通信的鏈提供 bridge-slots。
以上應是社區該給出的建議，而不是將區塊鏈當作零和遊戲。
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