一文讀懂跨鏈發展史，V神提出的Rollups之間的橋要如何修建？

為什麼需要跨鏈？什麼是橋？

為什麼需要跨鏈解決方案? 區塊鏈有多種運行環境，不同的區塊鏈支持不同的協議、dApps和加密資產。如果有人想持有比特幣，但又想參與以太坊上的DeFi協議，或者只是想用比特幣交換ETH，那麼跨鏈基礎設施將是必不可少的。因為不能直接通信，不同的區塊鏈就無法直接讀取彼此鏈上的數據，鏈之間就無法實現直接轉賬。那麼我們就需要設計方案來讓割裂的資產可以聯通起來。

什麼是橋？通俗來講，支持加密資產在不同區塊鏈之間轉移的系統就是橋。橋的核心功能可以概括為：用戶從橋的一端存入資產 → 橋更新賬戶餘額 → 用戶可以從橋的另一端取款。除了研究如何不斷提升TPS，尋找解決方案建立橋以支持加密資產從一個區塊鏈到另一個區塊鏈的轉移也是區塊鏈技術領域的重要課題。

關於跨鏈和橋的方案，我們可能經常聽到這些詞：Polkadot, Cosmos, NEAR Rainbow Bridge, xDAI Bridge, BSC Bridge, Arbitrum Bridge, Optimistic Bridge, Matic Network Bridge and zkSync bridge。那麼這些方案有什麼區別呢?

各種橋的對比——從中心化向去中心化發展

我們用儘可能用易於理解的方式來介紹不同橋方案的區別，並且按照進入主流視野的前後順序來說明Orbiter Finance的方案與此前的跨鏈或橋方案有什麼不同：

1. CEX 和 Notary scheme

最早為加密世界廣泛應用的橋，是基於成熟的中心化互聯網技術的CEX。CEX通過 Notary 解決方案為不同區塊鏈之間的加密資產交換建立了中心化的橋。

同樣是中心化解決方案的還有WBTC，BitGo Trust一邊在BTC區塊鏈中託管資產，一邊在以太坊上通過運行智能合約來發行WBTC並更新餘額，使WBTC與其託管的BTC數量保持一致。

中心化的機制雖然效率很高，但是始終面臨著監管政策風險、平台管理者風險，在安全性上仍存在問題。

2. Lightning Network 和 Hash-locking

閃電網絡起源於BTC的擴容方案，採用了Hash-locking方案。閃電網絡設計了兩種類型的交易合約：RSMC，HTLC。RSMC解決了通道中幣單向流動問題，HTLC解決了幣跨節點傳遞的問題。其中HTLC承載了橋的功能，HTLC的功能是要求收款方在時間截止前向轉款方提交轉賬證明，否則資金就會退還給轉賬方。

為了便於理解，舉例說明Hash-locking的工作原理：Alice、Bob與Evan想一起玩一個複雜的BTC交易遊戲，3人共同約定把每個人的一定數量的BTC用哈希鎖鎖定在BTC網絡上，然後進入到State Channel（類似BTC的Layer 2）中進行成百甚至上千次的鏈下交易，遊戲結束后他們把3人都認可的資產餘額數據傳回到BTC網絡上並解鎖，3人就可以重新在BTC網絡上轉賬自己的BTC了。

3. Polkadot Relaychain

專註在跨鏈解決方案的Polkadot在2020年獲得了很大的關注度。在原有的區塊鏈方案中，是先有了不同的區塊鏈，然後開發者再在不同的鏈之間修建橋。與之相反，Polkadot是先構建橋，再在橋上構建不同的區塊鏈，區塊鏈的上面運行智能合約。

Polkadot目標是在平行鏈之間可以傳遞任意消息，也就是平行鏈A可以調用平行鏈B中的智能合約，中繼鏈作為底層的橋，可以支持平行鏈之間通信和轉賬。Polkadot有3層結構：

開發了一條具有信息交互驗證功能的中繼鏈作為底層。
生態中的開發者們在中繼鏈上可以構建平行鏈，中繼鏈包含了所有平行鏈的所有數據信息，平行鏈會共享中繼鏈上的驗證者們來獲得更高的安全性。
平行鏈之上可以運行智能合約，在中繼鏈和平行鏈中間有分片狀態，確保整個系統可以持續有效。

此外，Polkadot使用了2種機制保證跨鏈通信安全性：

中繼鏈與平行鏈共享安全性，既使消息通信更容易也使平行鏈都有着同級別的安全性，平行鏈之間可以互相信任。
引入了漁夫（Fishermen）作為監控平行鏈惡意活動的“賞金獵人”，漁夫可以向中繼鏈提交證明指出平行鏈的驗證者提交了一個無效的區塊，並可以將Polkadot網絡和相關的平行鏈的整個狀態回滾。

4. Cosmos 和 IBC

與Polkadot並列討論最多的是Cosmos。Polkadot目標是可以在兩條鏈之間轉移代幣一級任何其他類型的通信，相比之下，Cosmos專註於區塊鏈之間的資產轉移，是比Polkadot更簡單的協議。

在Cosmos的方案中，Hub作為中心樞紐，管理着很多被稱為Zone的區塊鏈。Hub追蹤記錄每個Zone的狀態，Zone將新產出的區塊彙報給Hub並同步Hub的狀態。但是Hub與Zone之間的狀態同步並不是直接進行的，而是通過跨鏈橋協議IBC (Inter-Blockchain Communication protocol)實現的互操作性。

對比Polkadot的架構模式，Cosmos最大區別在於每個Zone的安全都是僅由這個Zone的驗證者來保障的，如果某個Zone想獲得很高的安全性，那麼它就需要自行引入更多驗證者。這種方式對於規模較小的應用具有運營困難，但是也為想要擁有更多掌控權的應用提高了掌控力。

5. 側鏈橋

NEAR, xDAI network, BSC和Heco都是關注度比較高的以太坊側鏈。側鏈橋主要有2種方案：

· NEAR 的 Rainbow Bridge

同樣是在2020年，Near的Rainbow Bridge方案也獲得了較高關注。Rainbow Bridge是一種跨鏈互操作性的橋，不僅支持資產在以太坊與Near之間流動，還可以支持更多的區塊鏈。

Rainbow Bridge的實現方式是：在NEAR上構建追蹤以太坊數據的輕客戶端智能合約，同時也在以太坊上構建NEAR的輕客戶端智能合約。簡單的來講，也就是Rainbow Bridge會把NEAR上的數據傳輸到以太坊上，也會把以太坊上數據傳輸到NEAR上，這樣以太坊和NEAR就可以相互讀取數據實現相互跨鏈轉賬了。

這個方案也存在一些小問題，比如所謂的輕客戶端其實並不輕。以太坊每隔約13秒產生一個區塊，NEAR上的輕客戶端就需要每隔13秒驗證一次區塊頭中的數據。這個驗證過程會佔用其區塊gas限制的10%。

· POA Network與用主體信用作為背書的橋

xDAI network, BSC and Heco是POA Network的代表，也都有鏈接ETH主網的側鏈橋。共同點在於這些橋是有驗證節點的，都涉及了人的參與治理，都不夠去中心化。不同之處，xDAI Bridge是動態多節點驗證的，BSC和Heco是以交易所信用作為背書單主體驗證的。

6. 為Layer 2擴展而建造的橋

以太坊生態是目前加密世界中最大的生態。盡以太坊主網的當前TPS是15，但是layer-1 and layer-2 擴展方案正在快速發展：

Layer-1 擴展：具有本機計算的 Eth2 分片鏈即將出爐。Eth2 大概有約 1000-5000 TPS。
Layer-2 擴展：狀態通道、Plasma 和 rollup 是Layer-2 擴展的三大主要類型，而 rollup 是主流解決方案。如果大家都轉向 rollup，我們很快就會有大約 3000 TPS。

在BTC與ETH或者其他區塊鏈之間的去中心化橋很難實現的原因在於–這些區塊鏈之間不能直接通信。但是在以太坊體系中，因為Layer 1可以負責通信，所以Layer 2的rollups可以通過Layer 1實現通信。

為了更詳細的說明，我們把Layer 2相關的跨鏈與橋的方案單獨放在一個段落里重點說明。

Layer 2中的跨鏈與橋方案

這裡我們主要探討Layer 2 擴展技術中rollup技術相關的橋方案。先簡單回顧Rollups的3個主要功能：

在鏈上記錄交易數據。
在鏈下計算壓縮每批的交易數據，並將壓縮計算得到的狀態根傳回rollups上。
驗證者負責驗證傳回的狀態根是否正確，並將正確的結果記錄到ETH主網上：如果狀態前根對應的批次完全包含在狀態后根對應的批次中，則證明狀態前根是正確的可以傳回Rollup合約中。

不同Rollup方案的區別主要在於鏈下計算和驗證方法這兩步。在Rollup技術方案中，Rollups可以直接與Layer1通信轉賬，但是Rollups之間並不能直接實時通信轉賬。如果Alice想從Rollup A轉賬到Rollup B，Alice需要先從Rollup A轉賬到主網（產生1小時或至少7天的提款時間），再從主網轉賬到Rollup B（產生主網上的4~10美金gas費）。

所以，在Rollup的整體技術框架中，不僅需要有Rollup到Layer1之間的橋，也需要有Rollups之間直接的橋，來確保交易的安全性與實時性。

1. Rollups與Layer 1之間的橋接方案

ZK rollups和有效證明

ZK 匯總中的每個批次都包含一個稱為 ZK-SNARK 的加密證明，它證明后狀態根是執行批次的正確結果。無論計算量有多大，該證明都可以很快在鏈上得到驗證。

ZK rollups 的技術複雜度高於 Arbitrum 或 Optimistic，需要更高的鏈下計算成本，但每筆交易的鏈上 gas 成本更低，提款時間短，才約 4h。在今年ZK Rollups能夠支持智能合約的EVM后，其很有可能成為最好的Rollups技術方案。Loopring、StarkWare、Matter Labs ZKSync 和 Aztec 2.0 都在應用 ZK 技術。

ZK rollup從L2提款到L1的橋接方案是：用戶從L2發起提款，在將交易數據編碼為字符串后簽名併發送交易至L1，交易進入到L1上的zkSync智能合約中，經過提現期限后，證明該區塊正確的ZK證明生成併發布到L1上並完成驗證，這筆提現就完成了。

Arbitrum, Optimistic和欺詐證明

欺詐證明rollups會跟蹤其整個狀態根歷史和每個批次的哈希值。如果有人發現一個批次的后狀態根不正確，他們可以發布一個證明到鏈，證明該批次的計算不正確。合約驗證了該證明，並恢復該批次及其後的所有批次。Optimistic rollups的複雜度低於 ZK rollups，鏈下計算成本更低，更容易支持智能合約。但是需要1周左右的提款時間給提交欺詐證明的人足夠的時間，並且鏈上每筆交易的gas費用會更高。

Arbitrum和Optimistic採用了同樣的可供開發者選用的橋方案支持用戶把資產從L1轉移到L2（需要注意的是，這個方案主要解決資產從L1到L2，而非從L2到L1或從L2到L2）：

將資產從L1轉到L2：先將資產存入L1的Arbitrum橋合約中，之後會在L2上鑄造出數量相同的資產並轉入指定地址。
將資產從L2轉到L1：將資產在L2上銷毀，隨後在L1的橋合約中等量資產變為可用，但是這個過程需要有提款時間用於欺詐證明。

Arbitrum與Optimistic不同在於解決分歧的方式，當驗證者向L1提交了被認為不正確的區塊時，解決方案：

Optimistic採用單輪交互解決方式：需要完整寫入鏈上數據，解決爭議時長短也不會面臨延遲攻擊的問題。
Arbitrum通過多倫互動協議解決爭議：向鏈上寫入的數據更少，可以處理突破以太坊gas限制的合約降低了鏈上成本，但也增加了解決爭議的時長，並可能面臨延遲攻擊。

Arbitrum對EVM的兼容性會比Optimistic更友好，開發者將L1上的用Solidity語言開發的智能合約遷移到Arbitrum上無需重寫程序，同時Arbitrum用ETH作為gas也降低了用戶的使用門檻。

Polygon的Layer 2聚合SDK

Polygon作為Layer2的聚合SDK，支持開發者快速便捷開發L2的區塊鏈。整體設計方案簡單理解大致是將Polkadot，Cosmos的機制通過Plasma技術嫁接到了ETH上，開發者基於Polygon開發合約就可以像在側鏈上開發那麼簡單了。除此之外，Polygon還在聚合更多選項，如ZK rollups，Optimistic和側鏈。

Polygon主要為開發者提供安全服務的方案，Polygon支持開發者在以太坊上快速構建兩種區塊鏈網絡：

獨立網絡（stand-alone network）：網絡擁有自己的PoS或DPoS共識模型，並且由網絡自建驗證者節點，適用於企業區塊鏈或者是有強大社區的鏈。這個機制很像Cosmos的結構，但是不同的是，Cosmos基於自建Hub，Polygon基於ETH。
安全鏈（secured chain）：由ETH直接提供安全服務，如通過Plasma使用欺詐證明，或由專業的節點提供。安全驗證節點可以被多個項目共享，類似Polkadot的共享安全節點模型。適合於初創項目或更注重安全的項目。

Polygon用4層結構的架構方案支持開發者研發獨立網絡或安全鏈：

ETH層作為基礎層：利用了ETH的高安全性，Polygon在ETH上運行着用於最終檢查確認、質押、爭議解決及消息傳遞的智能合約。
安全層：這一層運行着Polygon的驗證器，驗證器定期檢查Polygon鏈的有效性並獲取一定收益。
Polygon網絡層：這一層運行着基於Polygon架構的區塊鏈們，區塊鏈上維護着交易記錄與共識機制。
執行層：這一層負責解讀和執行Polygon Chain中的交易。

在以上4層結構中，ETH層、安全層為可選層，Polygon網絡、執行層為必選層。Polygon為開發者不僅提供了的安全服務方案，還統一解決了與Layer1之間的通信問題。

2. Rollups與Rollups之間的橋

Orbiter Finance和跨Rollup交易協議

在現有的技術框架匯總，rollups之間無法直接的轉賬，需要構建去中心化的橋方案。在當前的Layer 2擴展框架中，如果用戶想從Rollup A轉賬到Rollup B，需要先將資產從Rollup A轉會到主網（會產生1小時或至少7天的提款時間），再從主網轉賬到RollupB（會在主網上產生ERC20代幣的轉賬gas費）。隨着用戶和資產大規模向Layer 2遷徙，跨rollup直接轉賬的橋方案也會成為Layer 2的技術基礎設施。

Orbiter Finance就在rollups之間構建了一個去中心橋協議，支持在一個區塊時間內 (~13s)進行跨rollup的直接轉賬，每筆轉賬用戶只需要在目標端rollup上進行一次智能合約驗證。

例如，Alice想從Rollup A轉賬100USDT到Rollup B，Evan是做市商，Orbiter合約位於Rollup B上，Orbiter Finance是這樣幫助Alice實現跨rollups轉賬橋接轉賬的：

做市商Evan需要先在Rollup B中的orbiter contract中存入110USDT的保證金。其中用於提供交易服務的保證金為100USDT, 另外的10USDT為Evan不及時提供服務時的罰款。（只要Evan正常提供服務，就不會受到懲罰，如果Evan不想繼續提供做市服務，提交取保證金申請后，經過提款時間計算Evan可去除的金額后就可以成功退款）Optimistic或Arbitrum會將這些交易數據同步到位於Layer 1的rollup B的OVM_CanonicalTransactionChain中。
位於Rollup A的Alice通過在鏈下查詢區塊瀏覽器可以得知當前可以交易的最大金額上限為100USDT，Alice將100USDT轉賬到Evan在Rollup A上的地址。同樣的，這些轉賬會被Layer 1上的定序器記錄。
Alice轉賬完成經過T時長：

T < 1min：Evan優先提供轉賬服務，應在rollup B上給Alice的 Rollup B地址轉入99.7USDT（實際運行過程中還需要扣除rollup B的gas費），並賺取0.3USDT作為服務傭金。
1min < T < 5mins：Evan沒及時提供服務，其他做市商可搶單提供服務以保障Alice的用戶體驗，並接管Evan的保證金。其他做市商賺取0.2USDT服務費，Evan仍然可以賺取0.1USDT fee。
5mins < T：如果Evan以及其他做市商都沒有及時提供服務，Orbiter系統中引入了pushman角色，pushman在定序器查詢到Alice的確在Rollup A上完成了轉賬，並確定Evan的確在Rollup B中存有足夠的保證金與懲罰金，pushman就會將99.7USDT轉賬給Alice的Rollup B賬戶，pushman將賺取Evan存入的110USDT，同時Evan的保證金被清算並且懲罰金被沒收。Pushman可以又任何人來充當。

總結起來，Orbiter Contract具有以下3個功能：