這篇文章，結(jié)合一定的基礎(chǔ)知識和圖解，帶你了解 Cosmos 和 Polkadot，保準(zhǔn)你能夠在技術(shù)層面上對這些協(xié)議的認(rèn)識達(dá)到一個新的高度。

首先，你一定要認(rèn)識到區(qū)塊鏈互操作性的重要性。在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中，你可以通過應(yīng)用程序的 API 對大量的數(shù)據(jù)集進(jìn)行訪問和修改。而在區(qū)塊鏈中，數(shù)據(jù)就被封鎖在某一個鏈中。

那么，區(qū)塊鏈具有互操作性到底意味著什么呢?

它有以下幾個作用：

• 不需要信任，不同的區(qū)塊鏈即可直接安全地進(jìn)行資產(chǎn)轉(zhuǎn)移;
• 不同鏈之間的智能合約可以實現(xiàn)交互;
• 某些專用鏈可供其他區(qū)塊鏈?zhǔn)褂谩?/li>

在深入探討之前，營長先為你介紹一些去中心化系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，以便幫助你理解后續(xù)概念。

去中心化系統(tǒng)

顧名思義，去中心化系統(tǒng)就是一組計算機為實現(xiàn)某一特定目標(biāo)而共同運作，比如向世界各地的民眾推送相同的內(nèi)容(如 Twitter 新聞推送)。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，必須克服以下困難：

• 準(zhǔn)時：每個系統(tǒng)/電腦都是按照自己的速度和節(jié)奏執(zhí)行相同的任務(wù)。
• 次序：由于每個系統(tǒng)都有自己事件的事件和時間線，試圖在什么時間解決發(fā)生的什么事件還是相當(dāng)困難的。
• 錯誤：由于系統(tǒng)宕機、系統(tǒng)無法正確接收/發(fā)送消息或惡意操作(拜占庭)，都可能會導(dǎo)致系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)失敗。

舉個例子來說，人和人之間解決問題***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(tǒng)會給每個主機分配特定的時間輪流進(jìn)行通信，這就好比人與人的面對面對話。
• 異步：每個系統(tǒng)隨時都可以進(jìn)行通信，并且沒有任何限制，這就好比群聊天。

總而言之，區(qū)塊鏈最終實現(xiàn)的是安全性(達(dá)成一致輸出)和活躍性(區(qū)塊不斷增長和運作)。

如果區(qū)塊鏈安全但不活躍，就會停止產(chǎn)生區(qū)塊;如果區(qū)塊鏈的活躍但不安全，就會產(chǎn)生很多很多分叉。如果不制定規(guī)則，就無法辨別哪個是正確的區(qū)塊鏈，哪個是分叉。

實用拜占庭容錯算法(PBFT)

Barbara Liskov 和 Miguel Castro 于1999年推出了實用拜占庭容錯算法(PBFT)，由于 Cosmos 和 Polkadot 等權(quán)益證明鏈的基礎(chǔ)是 PBFT，因此，你很有必要聽營長介紹下它的工作原理。

1、一方監(jiān)聽大量的交易，直到交易數(shù)足以打包成一個區(qū)塊，就會停止監(jiān)聽，稱這一方為“提案者”(proposer)，因為他們產(chǎn)生了一個區(qū)塊。

2、一旦產(chǎn)生一個區(qū)塊，每個人都要參與到“預(yù)投票”環(huán)節(jié)，以確保每個人都監(jiān)聽的是同一區(qū)塊。需要注意的是，這個區(qū)塊也可以是錯誤或惡意的，但在“預(yù)投票”環(huán)節(jié)仍然有效，因為在這個環(huán)節(jié)中，每個人都只是試圖達(dá)成共識，即他們收到了相同的數(shù)據(jù)/區(qū)塊。

3、一旦超過2/3的參與者達(dá)成共識，即收到了相同的區(qū)塊，就會進(jìn)行“預(yù)提交”，隨后，確定這個塊是否有效，且沒有惡意操作。

4、如果超過2/3的參與者認(rèn)為這個塊有效且正確，就可以成功的提交這個區(qū)塊鏈。

5、區(qū)塊鏈的高度不斷增加，繼續(xù)重復(fù)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(qū)塊，區(qū)塊鏈的長度就會增加)，每臺計算機都可以計算出自己的結(jié)果并進(jìn)行實時通報，還能夠處理錯誤(惡意節(jié)點提出的區(qū)塊)。

接下來，和營長一起探索 Cosmos 和 Polkadot 吧!

互操作性經(jīng)典案例：Cosmos

2016年，Jae Kwon 和 Ethan Buchman 創(chuàng)建了 Cosmos(ATOM)，并通過 ICO 為其集資了超過1700萬美元。Cosmos Hub 是允許區(qū)塊鏈與其他鏈進(jìn)行通信的分區(qū)(Zone)，任何一個使用 PoW 機制的區(qū)塊鏈(如比特幣、以太幣、ZCash或特定的應(yīng)用程序區(qū)塊鏈)都必須通過 Inter Blockchain Communication 框架連接到 bridge-zone。

在架構(gòu)這方面，2014年，Jae Kwon 根據(jù)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(huán)節(jié)(預(yù)投票和預(yù)提交)中，每個人都分配了固定的時間進(jìn)行投票，一旦區(qū)塊被創(chuàng)建完成，就不可逆，即只要交易處于最終確定的狀態(tài)，就可以實現(xiàn)即時通信 & 物聯(lián)網(wǎng)支付。由于不需要確認(rèn)，因此稱為“快速終結(jié)(fast finality)”。

用戶可以將持有的 ATOM 作為系統(tǒng)中的驗證器，或?qū)?ATOM 委托給驗證器。最初，Cosmos 設(shè)置了100個驗證人，并計劃參考治理參數(shù)不斷增加驗證人數(shù)，并且，只有為網(wǎng)絡(luò)貢獻(xiàn)力量的人才可以參與維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全。

案例詳解：ETH 轉(zhuǎn)換為 BTC

為了更加簡單明了，下面將 ETH 轉(zhuǎn)換為 BTC。

1、首先為 ETH 創(chuàng)建一個中間可信分區(qū)(Zone)，并設(shè)一組驗證人負(fù)責(zé)將信息從 ETH bridge-zone 轉(zhuǎn)發(fā)到 Cosmos Hub。

2、由于 ETH 和 BTC 存在不確定性(即當(dāng)前鏈不一定正確)，驗證者需要等待一定量的確認(rèn)函數(shù)后，才能保證交易成功。

3、一旦驗證者確定交易處于最終狀態(tài)，就可以從所處分區(qū)向 Cosmos Hub 發(fā)起一筆交易，表明他們確實收到了 ETH，隨后，Cosmos Hub 創(chuàng)建 Wrapped Cosmos Ether，剩余的所有 Cosmos 分區(qū)也會同時獲知：系統(tǒng)中存在新的 Wrapped Cosmos Ether。

4、假設(shè)轉(zhuǎn)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(fā)送到比特幣中間可信分區(qū)，然后發(fā)送到指定的 BTC 地址。

在這一過程中，有些假設(shè)還得注意：

1、Cosmos Hub 需要確保 Wrapped Cosmos 資產(chǎn)余額能夠正確地遞增/遞減 — — 這是一個潛在的缺陷，不過在 Cosmos 團隊設(shè)計的系統(tǒng)中，任何人都能以自己的方式創(chuàng)建 Cosmos Hub。本質(zhì)上來說，Cosmos 網(wǎng)絡(luò)由不同群體運營的 Cosmos Hub 和 Zones 構(gòu)成。

2、需要確保每個 Zones 可信，且能夠正確轉(zhuǎn)發(fā)資產(chǎn)、發(fā)送/接收消息，另外，發(fā)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(zhuǎn)發(fā)消息而不會竊取資產(chǎn)。

互操作性經(jīng)典案例 ： Polkadot

Polkadot 由以太坊聯(lián)合創(chuàng)始人兼前***技術(shù)官、Web3 基金會總裁 Gavin Wood 創(chuàng)建，并于2017年底發(fā)售代幣 DOT，融資超過1.45億美元。如果 Cosmos 是由 Cosmos Hub 和 Zones 構(gòu)成的開放網(wǎng)絡(luò)，那么 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(guān)鍵創(chuàng)新點：

1、每條平行鏈的安全性來源于中繼鏈上的驗證者，一旦通過成為平行鏈連接到 Polkadot 網(wǎng)絡(luò)，就能同時收獲與 Polkadot 網(wǎng)絡(luò)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。

2、平行鏈可以使用去信任鏈間通信與其他平行鏈進(jìn)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(wǎng)絡(luò)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(biāo)鏈。

Polkadot 的共識機制由兩部分組成：GRANDPA 和 BABE。GRANDPA 是一個終結(jié)工具，它借鑒了 GHOST 分叉選擇規(guī)則的一些原則(如 Ethereum 的 Casper);而 BABE 是一種類似于 Cardano 的 Ouroboros 區(qū)塊生成機制，GRANDPA 允許鏈的一部分“最終化”且不可逆，將終結(jié)工具與生成區(qū)塊分離，允許效率較低的終結(jié)工具在生成區(qū)塊的不同流程生效，這意味著區(qū)塊的生成有可擴展功能，這與基于 PBFT 的 Cosmos Tendermint 算法不同。

Polkadot 生態(tài)系統(tǒng)包含以下幾個角色：

1、校對者(Collators)：為平行鏈生成區(qū)塊，并將信息交付至驗證人驗證。

2、提名者(Nominator)：將資金分配給驗證人參與權(quán)益機制。

3、驗證者(Validator)：對其資金量要求較高，負(fù)責(zé)打包中繼鏈的新區(qū)塊，其作用是：對新區(qū)塊進(jìn)行簽名;參與GRANDPA確認(rèn)中繼鏈;通過確認(rèn)交易是否正確，或跨鏈消息是否已處理，對平行鏈區(qū)塊進(jìn)行驗證。

4、釣魚者(fishermen)：審查網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，鑒別惡意行為，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(tǒng)，它將想要借助 bridge-zone 實現(xiàn)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。平行鏈可以合并自定義邏輯，并負(fù)責(zé)處理自己的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，同時與其他鏈進(jìn)行消息轉(zhuǎn)發(fā)與傳遞。通過相互監(jiān)聽，平行鏈可以自由與其他鏈進(jìn)行通信，而在 Cosmos 網(wǎng)絡(luò)中，所有溝通都必須依賴 Cosmos Hub。

得益于中心設(shè)計理念，Polkadot 有很好的結(jié)構(gòu)——平行鏈被動地從連接合約(bridge-contracts)中讀取信息，但并不依靠連接合約在各平行鏈中發(fā)送消息。每條平行鏈都有相同的地位，也就是說，Polkadot 跨鏈網(wǎng)絡(luò)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(guān)，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(zhuǎn)換為 BTC

下面，營長以 ETH 轉(zhuǎn)換為 BTC 為例，更為直觀的了解如何實現(xiàn)平行鏈間的代幣轉(zhuǎn)換。

以太坊平行鏈上的校對人將區(qū)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簽名并發(fā)布相關(guān)交易。任何發(fā)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。隨后，ETH 平行鏈和 BTC 平行鏈之間創(chuàng)建通信，通過驗證以后，BTC 就會指定一個地址。雖然具體設(shè)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(nèi)處于鎖定狀態(tài)，以便保持平行鏈和Polkadot網(wǎng)絡(luò)的連接。如果平行鏈出現(xiàn)嚴(yán)重漏洞，或者是涉嫌參與惡意行為，監(jiān)管就會介入并著手解決問題。Polkadot 遵循鏈上治理機制，并且將其看作是加密貨幣網(wǎng)絡(luò)的***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(dǎo)升級的區(qū)塊鏈，最終都會被‘有毒的民粹主義’荼毒。我并不認(rèn)可‘鏈下處理’，‘鏈上信號’和‘粗略共識’能夠為區(qū)塊鏈生態(tài)系統(tǒng)中的利益相關(guān)者提供有效手段，管理和推動區(qū)塊鏈的長期進(jìn)步，我也不認(rèn)為治理會奏效。”

時間線

雖然互操作性的核心應(yīng)用實現(xiàn)已經(jīng)達(dá)到了一定的水平，但執(zhí)行力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。Cosmos 于2019年3月推出，但也只是發(fā)布及運行 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 將于2019年底推出，目前上線的只有中繼鏈。

總的來說，Cosmos 和 Polkadot 的發(fā)行令我感到很興奮，我***奇的就是如何擴大開發(fā)人員對其的采用率、如何平衡每條平行鏈以及如何發(fā)揮平行鏈的作用。由于當(dāng)前基礎(chǔ)架構(gòu)遠(yuǎn)不夠完善，開發(fā)人員也還得根據(jù)需要考慮實現(xiàn)足夠好的安全性所需要的人力及資源，就目前而言，現(xiàn)在創(chuàng)建特定的應(yīng)用程序鏈還只是一個空談。

在以后的發(fā)展過程中是否還需要重新調(diào)整目標(biāo)做出一點妥協(xié)?這個很難說，或許以太坊的鏈下治理會為此帶來契機。由于要實現(xiàn)去信任創(chuàng)新的同時，還要保證高度安全性，這一技術(shù)的發(fā)展相對來說比較緩慢。

另一方面，所有的加密貨幣網(wǎng)絡(luò)逐漸開始將安全性委托給其他鏈，比如以太坊。一旦現(xiàn)有社區(qū)能夠有較高的安全保障，它們就能專注于發(fā)展自己的鏈。MakerDAO 就是一個很好的例子，MakerDAO 有足夠的資源來創(chuàng)建自己的鏈，并且通過成為 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(xiàn)通信的鏈提供 bridge-slots。

以上應(yīng)是社區(qū)該給出的建議，而不是將區(qū)塊鏈當(dāng)作零和游戲。