区块链网桥的全景式解析：构建加密货币网络的网络

经过多年的研发，我们终于进入了一个多链的市场结构。有100多个活跃的公链，其中许多都有自己独特的应用程序、用户、地理、安全模型和设计权衡。尽管个别社区相信，但现实是Cosmos趋于熵增，并且这些网络的数量在未来可能会继续增加。

这种类型的市场结构需要这些不同网络之间的互操作性。许多开发者已经意识到这一点，去年见证了区块链网桥的爆炸式增长，这些网桥试图统一日益去中心化的景观。截至目前，有40多个不同的网桥项目。

在这篇文章中，我将：

• 解释为什么网桥很重要
• 概述各种网桥设计及其优缺点
• 提供当前网桥景观的概览
• 描述未来的网桥可能是什么样子

互操作性开启创新

随着各个生态系统的发展，它们会发展出自己独特的优势，例如更高的安全性、更快的吞吐量、更便宜的交易、更好的隐私、特定资源供应（例如存储、计算、带宽）以及区域开发者和用户社区。网桥很重要，因为它们使用户能够访问新平台、协议相互操作，以及开发者协作构建新产品。更具体地说，它们使：

提高现有加密货币资产的生产力和实用性

网桥使现有的加密货币资产能够移动到新的地方并做新的事情。例如：

• 将DAI发送到Terra以在Mirror上购买合成资产或在Anchor上赚取收益
• 从Flow向以太坊发送TopShot以用作NFTfi的质押品
• 使用DOT和ATOM作为质押品在Maker上获得DAI借贷

为现有协议提供更强大的产品功能

网桥扩展了协议可以实现的设计空间。例如：

• Yearn在Solana和Avalanche上进行收益农耕
• 以太坊上NFT的跨链共享订单簿和Rarible协议的Flow
• Index Coop的权益证明指数

为用户和开发者解锁新功能和用例

网桥为用户和开发人员提供了更多选择。例如：

• Optimism、Arbitrum和Polygon上跨DEX的套利SUSHI价格
• 使用比特币支付Arweave上的存储费用
• 在Tezos上为NFT加入PartyBid

网桥 101

在抽象层面上，人们可以将网桥定义为在两个或多个区块链之间传输信息的系统。在这种情况下，“信息”可以指资产、合约调用、证明或状态。大多数网桥设计都有几个组成部分：

• 监控：通常有一个参与者，“oracle”、“validator”或“relayer”，负责监控源链上的状态。
• 消息传递/中继：Actor接收到事件后，需要将信息从源链传输到目标链。
• 共识：在某些模型中，需要在监控源链的参与者之间达成共识，以便将该信息中继到目标链。
• 签名：参与者需要单独或作为阈值签名方案的一部分对发送到目标链的信息进行加密货币签名。

大约有四种类型的网桥，每种都有自己的优点和缺点：

• 特定资产：一个网桥，其唯一目的是提供从外部链访问特定资产的途径。这些资产通常是“封装”资产，由底层证券以托管或非托管方式完全质押。比特币是桥接到其他链的最常见资产，仅在以太坊上就有七种不同的网桥。这些网桥最容易实现并且享有流动性飞轮，但功能有限，需要在每个目的地链上重新实现。示例包括wBTC和封装的Arweave。
• 特定链：两个区块链之间的网桥，通常支持围绕锁定和解锁源链上的代币以及在目标链上铸造任何封装资产的简单操作。由于这些网桥的复杂性有限，它们通常可以更快地上市，但也不容易扩展到更广泛的生态系统。一个例子是Polygon的PoS桥，它允许用户将资产从以太坊转移到 Polygon，反之亦然，但仅限于这两条链。
• 特定于应用程序：提供对两个或多个区块链的访问的应用程序，但仅供在该应用程序中使用。应用程序本身受益于较小的代码库；不是在每个区块链上都有整个应用程序的单独实例，它通常在每个区块链上都有更轻的、模块化的“适配器”。实现适配器的区块链可以访问它所连接的所有其他区块链，因此存在网络效应。缺点是很难将该功能扩展到其他应用程序（例如从借贷到交易所）。例子包括Compound Chain和Thorchain，它们分别构建了专门用于跨链借贷和交易的独立区块链。
• 广义：一种专为跨多个区块链传输信息而设计的协议。由于O(1)复杂性，这种设计享有强大的网络效应——项目的单一集成使其可以访问桥内的整个生态系统。缺点是一些设计通常会权衡安全性和去中心化以获得这种扩展效应，这可能会对生态系统产生复杂的意外后果。一个例子是IBC，它用于在两个异构链（具有终结性保证）之间发送消息。

此外，根据用于验证跨链交易的机制，网桥的设计大致有三种类型:

外部验证器和联盟

通常有一组验证器监控源链上的“邮箱”地址，并根据共识对目标链执行操作。资产转移通常是通过将资产锁定在邮箱中并在目标链上铸造等量的资产来完成的。这些通常是绑定验证器，使用单独的代币作为安全模型。

外部验证器或联合系统的高级说明

轻客户端和中继器

参与者监控源链上的事件，并生成有关该链上记录的过去事件的加密货币包含证明。然后将这些证明与区块一起转发到目标链上的合约（即“轻客户端”），然后验证是否记录了某个事件并在该验证后执行操作。某些参与者需要“中继”区块头和证明。虽然用户可以“自我中继”交易，但确实存在中继器将持续转发数据的活跃性假设。这是一种相对安全的网桥设计，因为它保证了无需信任的有效交付，但它也是资源密集型的，因为开发者必须在每个新的目标链上构建一个新的智能合约，从源链解析状态证明，并且验证本身需要消耗很多的gas。

轻客户端和/或中继系统的高级图示

流动性网络

这类似于点对点网络，其中每个节点都充当“路由器”，持有源链和目标链资产的“清单”。这些网络通常利用底层区块链的安全性；通过使用锁定和争议机制，保证用户不会被路由器带走用户资金。因此，对于转移大量价值的用户来说，像Connext这样的流动性网络可能是一个更安全的选择。此外，这种类型的桥可能最适合跨链资产转移，因为路由器提供的资产是目标链的原生资产，而不是衍生资产，它们之间不能完全互换。

流动性网络的高级说明

也可以从这个角度看待当前的网桥景观：

重要的是要注意，任何给定的网桥都是双向通信通道，每个通道中可能有单独的模型，并且这种分类不能准确地代表混合模型，如Gravity、Interlay和tBTC，因为它们都在一个方向上有轻客户端，在另一个方向上有验证器。

此外，可以根据以下因素对网桥设计进行粗略评估：

• 安全性：信任和活跃度假设、对恶意行为者的容忍度、用户资金的安全性和反身性。
• 速度：完成交易的延迟，以及最终性保证。通常需要在速度和安全性之间进行权衡。
• 连接性：为用户和开发者选择目标链，以及集成额外目标链的不同难度级别。
• 资本效率：围绕确保系统安全所需的资本和转移资产的交易成本的经济学。
• 状态性：能够转移特定资产、更复杂的状态和/或执行跨链合约调用。

综合起来，可以从以下角度来看待这三种设计的权衡：

此外，安全性在一个范围内，可以粗略地将其分类为：

• 无信任：网桥的安全性等于它所桥接的底层区块链的安全性。除了对底层区块链的共识级攻击之外，用户资金不会丢失或被盗。也就是说，实际上没有什么是不信任的，因为所有这些系统在其经济、工程和加密货币组件（例如，没有代码错误）中都有安全性和活性假设。
• 保险：恶意行为者能够窃取用户资金，但他们这样做可能无利可图，因为他们需要提供质押品，并在出现错误或不当行为的情况下被削减。如果用户资金丢失，他们将通过削减质押品进行补偿。
• 保税：类似于保险模型（即参与者在游戏中有经济利益），除了用户在出现错误或不当行为时无法收回资金，因为被削减的质押品可能会被销毁。质押品类型对保税和保险型都很重要；内生质押品（即质押品是协议代币本身）风险更大，因为如果网桥发生故障，代币价值可能会崩盘，这进一步降低了网桥的安全保证。
• 可信：在系统故障或恶意活动的情况下，参与者不会发布质押品，用户也不会收回资金，因此用户主要依赖网桥运营商的声誉。

在未来的升级中，几个项目将移出“受信任”类别。

总结设计权衡

外部验证器和联盟通常在状态性和连接性方面表现出色，因为它们可以触发交易、存储数据并允许在任意数量的目标链上与该数据进行交互。然而，这是以安全性为代价的，因为根据定义，用户依赖于网桥的安全性，而不是源链或目标链。虽然当今大多数外部验证器都是受信任的模型，但有些是质押的，其中的一个子集用于为最终用户提供保险。不幸的是，他们的保险机制通常是反射性的。如果将协议代币用作质押品，则假设该代币的美元价值足以使用户完整。此外，如果质押资产与受保资产不同，则还依赖于预言机的价格反馈，所以网桥的安全性可能会降级为预言机的安全性。如果不受信任，这些网桥的资本效率也是最低的，因为它们需要与它们促进的经济吞吐量成比例地扩展质押品。

轻客户端和中继也具有很强的状态性，因为头中继系统可以传递任何类型的数据。它们的安全性也很强，因为它们不需要额外的信任假设，尽管存在活跃性假设，因为仍然需要中继器来传输信息。这些也是资本效率最高的网桥，因为它们不需要任何资本锁定。这些优势是以连接性为代价的。对于每个链对，开发者必须在源链和目标链上部署一个新的轻客户端智能合约，其复杂度介于O(LogN)和O(N)之间(之所以介于这个范围，是因为使用相同的共识算法添加链支持相对容易)。在依赖欺诈证明的optimistic模型中也存在显著的速度缺陷，这可能会增加4个小时的延迟。

流动性网络以速度和安全性著称，因为它们是本地验证的系统（即不需要全球共识）。它们也比保税/保险的外部验证器更具资本效率，因为资本效率与交易流量/交易量而非安全性相关。例如，假设两条链之间的流量相等，并且有一个内置的再平衡机制，流动性网络可以促进任意大量的经济吞吐量。权衡是状态性，因为虽然它们可以传递调用数据，但它们的功能有限。例如，他们可以跨链与数据交互，其中接收方有权根据提供的数据进行交互（例如，使用发送方签署的消息调用合约），但无助于传递没有“所有者”或属于通用状态的数据（例如，铸造表示代币）。

开放式问题

在分布式系统中，构建稳健的跨链桥是一个非常困难的问题。虽然该领域有很多活动，但仍有几个悬而未决的问题：

• 终结性和回滚：在具有概率终结性的链中，网桥如何解释区块重组和时间强盗攻击?例如，如果任何一条链遇到状态回滚，那么从Polkadot向以太坊发送资金的用户会发生什么情况？
• NFT传输和来源：网桥如何保存跨多条链桥接的NFT来源？例如，如果有一个NFT在以太坊、Flow和Solana的市场上买卖，所有权记录如何说明所有这些交易和所有者？
• 压力测试：在区块链拥塞或协议和网络级攻击的情况下，各种网桥的设计将如何执行？

区块链网桥的未来

虽然网桥为区块链生态系统开启了创新，但如果团队在研发方面走捷径，它们也会带来严重的风险。Poly network黑客事件证明了漏洞和攻击的潜在经济规模，我预计情况在好转之前会变得更糟。虽然对于网桥建设者来说，这是一个高度去中心化和竞争激烈的格局，但团队应该保持纪律，优先考虑上市时间的安全性。

虽然理想状态应该是所有事物的同构网桥，但很可能没有单一的“最佳”网桥设计，不同类型的网桥最适合特定应用（例如资产转移、合约调用、铸造代币）。

此外，最好的网桥将是最安全、互连、快速、资本效率高、成本效益高且抗审查的网桥。如果我们想实现“区块链互联网”的愿景，这些是需要最大化的属性。

现在还为时尚早，可能尚未发现最佳设计。所有网桥类型都有几个有趣的研究和开发方向：

• 降低区块验证的成本：轻客户端的区块验证成本很高，找到降低这些成本的方法可以使我们更接近于完全通用且无需信任的互操作性。一种有趣的设计可能是桥接到L2以降低这些成本。例如，在zkSync上实现主网轻客户端。
• 从受信任模型转变为质押模型：虽然绑定验证器的资本效率要低得多，但“社会契约”是一种危险的机制，可以确保数十亿美元的用户资金安全。此外，花哨的阈值签名方案不会显着降低对这些系统的信任；仅仅因为它是一群歌手，并不能消除它仍然是一个值得信赖的第三方的事实。在没有质押的情况下，用户实际上是将其资产移交给外部托管人。
• 从保税模式转变为保险模式：赔钱是糟糕的用户体验。虽然绑定的验证器和中继器可以抑制恶意行为，但协议应该更进一步，直接使用削减的资金补偿用户。
• 扩展流动性网络的流动性：这些可以说是资产转移的最快网桥，并且在信任和流动性之间存在有趣的设计权衡。例如，有可能使流动性网络能够使用绑定验证器样式模型外包资本供应，其中路由器也可以是具有绑定流动性的阈值多重签名。