区块链:科普 | 走进Cosmos之入门_Cosmo Coin

作者简介

江哲

来自数据网格实验室BitXHub团队主要负责区块链账本互操作技术相关研究工作

导读

跨链作为近两年来区块链技术一个炙手可热的方向，吸引了许多人的目光。

从技术层面看，Cosmos无疑可以与Polkadot并称“跨链双雄”，两者的技术路线并无明显的优劣之分，只是开发理念各有千秋。

Cosmos最初是由Tendermint团队构建的开源社区项目，它将自己定义为“一个由多条独立平行区块链组成的去中心化网络”，和Polkadot一样，也由中继技术实现。

Cosmos到底是如何解决跨链过程中遇到的各项问题的，本文通过对其架构和跨链交易流程的解读，带我们进一步了解Cosmos。

什么是Cosmos

Cosmos作为跨链双雄之一，定位为一个可扩展、易用、互操作的区块链互联网。

首先介绍Cosmos的三个重要组成部分

Hub：本质上是一条中继链，由官方进行维护，被当作跨链消息的信任中心；

Zone：参与到Cosmos网络中的应用链，允许不同类型的区块链加入进来；

IBC：链间通信协议。

他们三者的关系我们从上面的简图中看到，位于中心的是Hub。

Hub管理着许多被称为“Zone”的应用链，在Ｃosmos网络中，由Hub来追踪记录各个Zone的状态，而每一个Zone有义务不停地把自身产出的新区块反向汇报给Hub。

Hub与Zone直接通信，而Zone与Zone之间通过IBC间接通信。

国务院：推进科普与区块链技术深度融合:为贯彻落实党中央、国务院关于科普和科学素质建设的重要部署，依据《中华人民共和国科学技术进步法》、《中华人民共和国科学技术普及法》制定《全民科学素质行动规划纲要（2021－2035年）》，其中要求实施智慧科普建设工程。推进科普与区块链等技术深度融合，强化需求感知、用户分层、情景应用理念，推动传播方式、组织动员、运营服务等创新升级，加强“科普中国”建设，强化科普信息落地应用，与智慧教育、智慧城市、智慧社区等深度融合。（新华社）[2021/7/10 0:40:52]

当Zone对Hub建立起一个IBC连接，它可以自动访问其他连接到该Hub上的Zone，这意味着Zone无需与其他Zone连接，而仅仅连接到Hub上即可。

当一个Zone通过Hub收到来自其他Zone的代币时，它只需要信任Hub，而不需要信任网络中所有其它的Zone。

为什么Cosmos不直接利用IBC建立Zone与Zone之间的连接？

事实上，随着接入到网络中Zone的数量上升，以直连方式实现通信会导致链路数量呈平方级上升，如此快速的增长显然会令网络不堪重负。

Cosmos架构

Cosmos作为一个多链互操作的跨链平台，支持不同种类应用链接入到Cosmos的网络，如图所示：

一般来说，应用链可以分成两种类型：概率链和确定性链。

概率链是指只能根据区块链网络参与者在不同分叉链上的比例，而以一定概率认为某条链是主链。一般来说比特币通过6个区块以上来达到确认，而以太坊通过15个区块以上来达到确认。

确定性链指的是每个区块的状态都是确定的，在未来的任意时刻你都可以从创始块开始复现推演每个区块的状态。

欧易OKEx将于3月18日推出DeFi系列科普视频:据欧易OKEx官方消息显示，欧易OKEx将正式推出DeFi系列科普视频《欧易DeFi20讲》，本系列节目由欧易OKEx亚太区CEO马克金主讲。该视频首期将于3月18日11:00(HKT)推出，用户可以在欧易OKEx官方学院、金色财经观看。

《欧易DeFi20讲》主要包含DeFi入门指南、全景解读DeFi生态及如何参与DeFi三个篇章，可以轻松使用户了解DeFi原理，洞察DeFi价值，掌握DeFi热点，更多详情请关注欧易OKEx官方学院。[2021/3/18 18:55:59]

Cosmos中的Hub理论上可以接入上述两者，只不过对于概率链的支持在实践中要相对麻烦一些。这是因为从底层设计来讲，IBC跨链通信协议发挥作用的前提在于区块链的不可逆。?

所以Cosoms试图通过“PegZone”桥接链来实现概率链的互操作性。PegZone是追踪记录另一条区块链状态的区块链，它要将自己桥接的某条概率链上的状态确定为不可逆的，使得这些状态得以与IBC兼容。

其中这里的ABCI是应用层的区块链如何与共识层交互的接口，共识层和网络层是由CosmosSDK底层实现，只需实现相关的ABCI接口即可自行搭建一条链。

ABCI接口和CosmosSDK会在接下来的Cosmos系列中会详细介绍。

交易流程

接下来介绍Cosmos的交易流程，Cosmos的交易分为普通交易和跨链交易，普通交易通过应用链内的共识上链，跨链交易通过IBC跨链协议进行交易。

▲?普通交易

Cosmos的普通交易和以太坊类似，也是一个帐户模型，有着From，To和Amount关键字段。

动态 | 链客社区联合北京交通广播推出区块链技术科普节目:12月11日15:15—16:00，区块链技术社区——链客区块链技术社区将联合北京交通广播FM103.9从零开始为大众科普解码区块链技术，蜻蜓FM及北京广播网同期进行全球直播。首期做客嘉宾为链客区块链技术社区创始人郄建军和百度区块链产品负责人于雅楠。[2019/12/11]

普通交易Msg：

typeMsgSendstruct{FromAddressgithub_com_cosmos_cosmos_sdk_types.AccAddressToAddressgithub_com_cosmos_cosmos_sdk_types.AccAddressAmountgithub_com_cosmos_cosmos_sdk_types.Coins}交易流程

接下来介绍一笔普通交易的流程，例如Alice转给Bob100atom代币。

1.Tendermint收到该笔交易，调用BaseApp的CheckTx校验该笔交易的有效性；

2.Tendermint出块，调用BaseApp的BeginBlock，检查区块的高度、Gas消耗情况和节点投票情况；

3.Tendermint调用BaseApp的DeliverTx，执行区块中的交易；

4.减少Alice100atom，增加Bob100atom，存储Alice和Bob的账本。

5.区块内交易全部执行完成后，Tendermint调用BaseApp的EndBlock收尾，包含执行完成后的事件和相关的验证者集合等等；

6.Tendermint调用BaseApp的Commit，IavlStore构建MerkleTree；

现场 | 火币中国推出数字经济及区块链产业科普新书:金色财经现场报道，12月6日，由海南省工业和信息化厅主办，南南合作金融中心协办，海南生态软件园、火币中国承办的“海南自贸港数字经济和区块链国际合作论坛”在海口举行，这是全球首次区块链部长级论坛。

在本次论坛上，火币中国举行了“数字经济及区块链产业科普系列新书发布”仪式，希望通过教材、专业教育、培训等多种方式，帮助从业者、高校、研究机构深入了解区块链，从而建立起区块链全局性知识模型，真正推动区块链应用落地。火币中国CEO袁煜明介绍，将联合机械工业出版社面向普通高等教育推出《区块链导论》、《区块链系统设计与应用》和《区块链新商业模式分析》系列教材，这是国内最早推动的区块链教材之一；火币中国还积极参与数字经济的研究，由中信出版社出版的新书《读懂Libra》已经上市；由火币中国负责编写的区块链技术科普读物《区块链技术进阶指南》将于12月面世；首本行业内最全的区块链应用案例集《区块链产业应用100例》在本次论坛进行了首次刊印。[2019/12/6]

7.通过返回的MerkleTreeRoot生成区块哈希，进行一下轮出块。

▲?跨链交易

交易结构

IBC协议中包含了三个主要的交易类型：

MsgPacket：定义了IBC协议的跨链交易数据包，包含跨链交易、目的链的超时高度和时间戳。

/IBC数据包typeMsgPacketstruct{PacketProofcommitmentexported.ProofProofHeightuint64Signersdk.AccAddress}//数据包定义了一种通过IBC跨不同链传输数据的类型typePacketstruct{//跨链交易数据Databyte//number对应于发送和接收的顺序，必须按序发送和接收Sequenceuint64//标识来源链上的端口SourcePortstring//标识来源链上的通道SourceChannelstring//标识目的链上的端口DestinationPortstring//标识目的链上的通道DestinationChannelstring//标记数据包超时的区块高度TimeoutHeightuint64//数据包超时的区块时间戳TimeoutTimestampuint64}MsgAcknowledgement：定义IBC协议的响应数据包，包含跨链交易执行成功或者失败的状态。

声音 | ETC Labs主管：科普教育是未来几年公链面临的巨大挑战:ETCLabs主管Darin Kotalik认为，科普教育是未来几年公链面临的巨大挑战，人们必须要对区块链有基本的认识，分清楚公链和私链的区别。[2019/8/25]

/IBC响应数据包typeMsgAcknowledgementstruct{PacketAcknowledgementbyteProofcommitmentexported.ProofProofHeightuint64Signersdk.AccAddress}MsgTimeout：定义IBC协议的超时数据包，包含下一个接收包的序列号。

//IBC超时数据包typeMsgTimeoutstruct{PacketNextSequenceRecvuint64Proofcommitmentexported.ProofProofHeightuint64Signersdk.AccAddress}当应用链双方在Hub注册后，彼此发现就可以通过路由进行跨链交易。

IBC跨链流程

我们通过一个例子来介绍IBC的跨链交易，ChainA和ChainB都是基于CosmosSDK搭建的应用链，Relayer作为一个链下中继负责轮询和路由IBC的数据包，这里的大致流程如下所示：

ChainA->relayer->hub->relayer->ChainB为了更加清晰的描述ChainA的跨链交易是如何到达ChainB的，relayer和hub之间只是负责路由，这里简化了relayer到hub之间的过程。

ChainA的Alice转给ChainB的Bob100atom

1.ChainA的Tendermint收到该笔交易，调用BaseApp的BeginBlock，检查区块的高度、Gas消耗情况和节点投票情况；

2.执行区块中的交易，减少Alice100atom，增加托管账户Escrow100atom，存储Alice和Escrow的账本。

3.构建跨链交易MsgPackage数据包，根据DestinationChannel和DestinationPort定位Outgoing队列，将MsgPackage存入该队列；

4.区块内交易全部执行完成后，Tendermint调用BaseApp的EndBlock收尾，包含执行完成后的事件等等，?再调用BaseApp的Commit，调用IavlStore持久化等操作；

5.IavlStore通过当前所有的IavlTreeRoot构建MerkleTree；

6.ChainA的Tendermint通过Treeroot生成区块哈希；

7.ChainA的Tendermint准备进行下一轮出块；

8.中继器Relayer轮询ChainA的Out队列，发现Outgoing队列存在MsgPackag；

9.中继器Relayer解析MsgPackage数据包来源和目的；如果发现ChainB的区块高度大于超时高度，移除ChainA的MsgPackage，向ChainA的inComming队列发送MsgTimeout数据包；

10.中继器Relayer向ChainB的Incomming队列发送包含MsgPackage数据包，ChainB随后解析MsgPackage，验证MsgPackage的有效性；

11.托管账户Escrowmint100atom，然后向Bob发送100atom；

12.ChainB构建MsgAcknowledgement数据包，中继器Relayer轮询ChainB的Incomming队列，将其放入ChainB的Outgoing队列；

13.ChainA收到ChainB的MsgAcknowledgement或者MsgTimeout数据包，如果MsgAcknowledgement包含执行失败的状态或者存在MsgTimeout数据包，则根据数据包内的信息进行向托管账户赎回对应的金额。

跨链难题

▲?Relayer作恶问题

场景描述：Relayer是链下的一个传递跨链消息的组件，任何人可以启动Relayer来传递消息。

方案：所有验证在链上进行，Ｒelayer只做消息传递。

效果：可多个Ｒelayer同时工作，跨链消息的有效性和有序性的保证和Ｒelayer无关，至少一个不作恶Ｒelayer即可工作

▲?跨链存在性证明

我们可以看到，在每个IBC数据包的结构中都包含：

struct{Proofcommitmentexported.ProofProofHeightuint64Signersdk.AccAddress}其中ProofHeight是对应的区块高度，Proof是MerkleProof，Signer是发送者的地址，跨链双方维护对方的轻节点，提供类似SPV证明的机制。

▲?跨链交易事务

IBC跨链协议中定义了两种关于包含状态的跨链交易数据包：

MsgAcknowledgement：定义IBC协议的响应数据包，包含跨链交易执行成功或者失败的状态。

//MsgAcknowledgementreceivesincomingIBCacknowledgementtypeMsgAcknowledgementstruct{PacketAcknowledgementbyteProofcommitmentexported.ProofProofHeightuint64Signersdk.AccAddress}MsgTimeout：定义IBC协议的超时数据包，包含下一个接收包的序列号。

//MsgTimeoutreceivestimed-outpackettypeMsgTimeoutstruct{PacketNextSequenceRecvuint64Proofcommitmentexported.ProofProofHeightuint64Signersdk.AccAddress}来源链通过MsgAcknowledgement数据包，可以判断跨链交易是否执行成功，如果执行失败来源链做出相对的回滚。

来源链通过MsgTimeout数据包，可以判断一个跨链交易的数据包是否超时，如果超时来源链做出相对的回滚。

结论

总体来说，Cosmos作为与Polkadot齐名的跨链双雄之一，在架构设计和IBC跨链协议上有许多值得我们学习借鉴的地方。

接下来的Cosmos系列文中会详细介绍IBC协议和Tendermint共识详解，敬请期待！

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