主流跨链技术对比以及跨链技术在金融基础设施应用的探讨

首发

2020-06-08 16:35:45

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本文对几种主流的跨链技术做了描述和对比,并对跨链技术在金融基础设施中的应用做了分析。公证人机制理论上可以实现不同央行数字货币之间的跨链转账,但存在公证人的选择问题;哈希时间锁受到各国央行的重视,可以成功实现央行数字货币的跨账本券款对付、同步跨境转账等功能,但哈希时间锁还存在缺陷,需要进一步改进;侧链技术方案对于央行数字货币不适用;中继链技术方案的实际运行经验非常少,如果 Cosmos 和 Polkadot 未来能成功实现中继链功能,对于央行数字货币会是一种可行的选项。 

未来央行数字货币的格局

区块链技术在货币和支付领域的应用,已成为备受关注的前沿问题。近期,人民银行 DC/EP 开始在深圳、雄安、成都、苏州进行试点测试;Facebook 发起的全球稳定币项目 Libra 做出重大修改,发布 2.0 版本白皮书,开始加速推进;日本银行与欧央行合作的 Stella 项目、新加坡金管局的 Ubin 项目和加拿大银行的 Jasper 项目等都已经对区块链技术在金融领域的应用做了大量的研究工作。

虽然 Libra 项目的愿景是成为「全球支付系统和金融基础设施」,但考虑到 Libra 一篮子货币稳定币可能引发的货币主权和货币替代问题,Libra 将以单一货币稳定币为主。未来大概率的场景是,主权国家发行自己的央行数字货币,辅以市场机构推出的单一货币稳定币。

在这种情况下,各国的央行数字货币是基于不同的区块链。在跨境转账、券款对付等场景中,信息和资产需要在不同的区块链上进行流转,各国的央行数字货币之间必须实现互联互通。跨链技术是实现链间交互的解决方案。

主流的跨链技术 

不同区块链之间的信息隔离会造成区块链的孤岛效应,大大限制区块链的价值转移能力和应用范围。跨链技术可以把不同的区块链连接起来,实现不同链之间的互联互通。目前,主流的跨链技术包括公证人机制、哈希时间锁、侧链和中继链。

公证人机制(Notary schemes)

公证人机制是所有跨链技术中最简单的一种,不同区块链之间使用共同信任的第三方充当公证人进行连接。公证人为交易双方创建资金托管,当所有交易参与方对这笔交易达成共识时,便可自动触发交易。根据公证人的数量和签名方式,公证人机制可以进一步细分为单签名公证人机制、多签名公证人机制和分布式签名公证人机制等。

因为公证人机制非常简单,所以这种模式的适用范围非常广泛,理论上可以用于任意两条区块链之间的交互。但也有观点认为,公证人机制是中心化的产物,与区块链的去中心化理念不相符。

哈希时间锁(Hash Time Locked Contract,HTLC)

哈希时间锁最早起源于闪电网络,使多个用户之间的「条件支付」能以去中心化、无需第三方受信任中介的方式完成,在多跳支付、原子交换和跨链交易等中有广泛应用。

HTLC 的核心是时间锁和哈希锁。时间锁指,交易双方约定在某个时间内提交才有效,超时则承诺方案失效(无论是提出方或接受方)。哈希锁指,对一个哈希值 H,如果提供原像 R 使得 Hash(R)=H,则承诺有效,否则失效。如果交易因为各种原因未能成功,时间锁能够让交易参与各方拿回自己资金,避免因欺诈或交易失败造成的损失。

假设 Alice 想开启一个与 Bob 的交易,交易金额为 0.5 BTC,但 Alice 需要通过 Carol 才能与 Bob 建立通道进行交易,如下图所示。

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图 1:HTLC 与支付路径

  • 第一步:Bob 设定原像 R (也被称为暗示数),把哈希值 H=Hash(R) 告诉 Alice。

  • 第二步:Alice 通过 HTLC 向 Carol 进行条件支付:当且仅当 Carol 在 T 时刻前提供与哈希值 H 对应的原像 R,Alice 才向 Carol 支付 0.5 BTC。类似地,Carol 通过 HTLC 向 Bob 进行条件支付:当且仅当 Bob 在 t 时刻前提供与哈希值 H 对应的原像 R,Carol 才向 Bob 支付 0.5 BTC,其中 t<T。

  • 第三步:Bob 如果在 t 时刻前向 Carol 提供 R,获得 0.5 BTC,此时 Carol 知悉 R。反之,0.5 BTC 会返回给 Carol,Carol 不会遭受任何损失。 第四步:Carol 如果在 T 时刻前向 Alice 提供 R,获得 0.5 BTC。反之,0.5 BTC 会返回给 Alice,Alice 不会遭受任何损失。

侧链(Sidechain)

侧链是一种锚定主链代币并使该代币可以在主链和侧链之间进行价值转移的协议。最初,侧链是一种解决主链可扩展性问题的扩容技术,可以读取主链的事件和状态。一般来讲,主链可以不知道侧链的存在,而侧链必须要知道主链的存在。需要注意的是,侧链实现的是货币价值的转移,不是货币的转移。

双向锚定是实现侧链的基础,即暂时将主链上的代币锁定,然后将等价值的代币在侧链上释放;当等价值的代币在侧链上被锁定时,释放主链上被锁定的原始代币。针对双向锚定中的资产管理和监督问题,目前主要有以下三种模式:单一托管人模式、联盟托管模式和 SPV 模式(Simple Payment Verificaiton)。

中继链(Relay)

中继链本质上是公证人机制和侧链机制的融合和扩展,可以视为侧链的升级版本。目前,最知名的两个跨链项目 Cosmos 和 Polkadot 采用的都是基于中继链的异构多链系统。

Cosmos 是在 Tendermint 共识算法基础上建立的一个支持跨链交互的异构网络,具有高性能、一致性等特点。Cosmos 系统中主要包括枢纽(Hubs)和分区(Zones)两种角色。Hubs 是指用于处理跨链交互的中继链,Zones 是指一般的平行链。但是,Cosmos 目前只支持资产的跨链,功能开发进度比较慢并且团队内部传出不和声音。

Polkadot 是一个异构多链系统,旨在支持并行的多个区块链。Polkadot 系统中包括中继链和平行链。中继链实现多条平行链之间的跨链交互,平行链可以满足构建不同应用程序的特定需求。目前,Polkadot 主网刚刚上线,还处在项目早期,很多功能还有待在实际运行中检验。

技术方案的对比

央行数字货币

表 1:跨链技术方案的对比

跨链技术在金融基础设施的应用

各国央行着重于研究区块链技术在支付系统、证券结算系统、同步跨境转账等金融市场基础设施的应用,这同时也是央行数字货币未来主要的应用场景。对于央行数字货币而言,上述几种跨链技术的适用性存在明显的差别。

理论上讲,公证人机制非常简单,可以直接采用开源的 Interledger 协议。公证人机制适用于任意两条区块链之间的交互,实现不同央行数字货币之间的跨链转账。同时,如果由商业银行来充当公证人的角色,可以直接复用部分现有的银行体系。当两个不同国家的用户和商家进行支付和转账时,商业银行作为公证人为交易双方创建资金托管,当交易参与方达成共识后便可触发交易。在现行的系统中,跨境转账涉及银行账户操作复杂、国际支付标准不一、流程透明度低、监管重复、费用高等缺点。采用公证人机制的央行数字货币之间的跨境转账则可以避免这些缺点。

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图 2:现行跨境支付流程示意图

但在实际应用中,使用公证人机制还存在一些问题。央行数字货币是央行对公众的负债,最终的结算服务必须通过各国的中央银行。而不同中央银行之间进行跨链交互时,公证人角色是很难选择的。商业银行的信用低于中央银行,不能为中央银行担任公证人;而 IMF 和 BIS 这类国际金融机构的信用高于一般商业银行,但这类机构的信用也很难说高于主要中央银行。因此,公证人机制在央行数字货币中的应用存在公证人的选择问题。

对于哈希时间锁来讲,Ubin、Stella 和 Jasper 等各国央行主导的区块链研究项目都非常重视对哈希时间锁的研究和使用。在这些研究项目中,哈希时间锁可以成功实现跨账本券款对付、同步跨境转账等功能。在参与者理性前提下,哈希时间锁中所有「条件支付」要么全部完成,要么全不完成但所有参与者都能拿回自己的资金,交易是原子式的。同时,原像(信息)和资金相向流动,原像可以被视为收据。

但并不是所有参与者都会做出理性选择,哈希时间锁不是一种完美的解决方案。Stella 项目测试发现,使用 HTLC 的跨账本券款对付可能发生结算失败,并导致两种不同结果。第一种结果是资金和证券被退还给各自原始持有人,两个交易对手方都不会承担太大风险,但会面临重置成本风险和流动性风险。第二种结果是资金和证券都会被一个交易方获得,另一方会承担较大的本金风险。目前,哈希时间锁还存在缺陷,需要进一步改进。

对于侧链技术方案来讲,在这种机制中存在主链和侧链,主链可以不知道侧链的存在,而侧链必须要知道主链的存在,通过侧链技术方案进行交互的区块链之间有明显的主次之分。而不同的央行数字货币之间的关系是对等的,侧链机制与央行数字货币的实际情况不相符。所以,侧链技术方案是不适用的。

从结构上看,中继链技术方案适用于不同央行数字货币之间的交互。各国的央行数字货币以平行链的形式接入同一个中继链。各国央行可以担任中继链验证人,运行中继链节点、保护中继链的安全。但是,中继链技术方案的实现难度比较高,实际运行经验还非常少。如果 Cosmos 和 Polkadot 未来能成功实现中继链功能,做到系统稳定、可扩展性高、易于接入和升级等特点,中继链技术方案会是一种可行的选项。

综上所述,对于央行数字货币而言,几种主流的跨链技术方案具有不同的特点和适用性。公证人机制理论上可以实现不同央行数字货币之间的跨链转账,但存在公证人的选择问题;哈希时间锁受到各国央行的重视,可以成功实现央行数字货币的跨账本券款对付、同步跨境转账等功能,但哈希时间锁还存在缺陷,需要进一步改进;侧链技术方案对于央行数字货币不适用;中继链技术方案的实际运行经验非常少,如果 Cosmos 和 Polkadot 未来能成功实现中继链功能,对于央行数字货币会是一种可行的选项。


   
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