深度|从互操作性出发重新理解区块链跨链系统

区块链和非区块链字段中的互操作性对象不同。应用场景中应该建立的互操作性应该从技术、语义、应用程序和治理四个层面来考虑。

近年来,元宇宙的概念引起了人们的广泛关注。Facebook创始人扎克伯格在一次采访中分享了他对元宇宙的看法以及Facebook全力支持元宇宙建设的决心。在对元宇宙特征的描述中,再次提到了术语“互操作性”,并强调需要制定一些标准,以帮助开发人员和创建者为人们提供“前所未有的互操作性”体验,因此,用户可以无缝地将他们的化身和数字产品转移到不同的体验中,并与朋友互动,在整个过程中不会感知到互联网基础设施的存在。

虽然这种极其抽象的表达方式给人以遐想,但很难理解,更不用说说服了。这也是本文讨论互操作性一词内涵的初衷之一。

互操作性是区块链领域经常提到的一个概念。更熟悉的术语是交叉链。在描述两个以上区块链之间的某些相互作用时,这两个概念经常被混淆,特别是在DeFi和NFT生态快速发展之后。

随着人们认识到DeFi乐高的无限组合潜力和以太坊DeFi生态的泛滥,跨链需求变得非常紧张;互操作性也将在NFT应用程序和元空间特性的讨论中提到。本文从讨论“互操作性”的语义场景和内涵入手,分析了人们在提出跨链或互操作性时真正想要表达或期望达到的目标,以及他们在业界的发展程度。

互操作性的定义及场景 计算机信息学领域

“互操作性”在非区块链领域早已被提及。IEEE计算机词典标准中互操作性的定义是“在两个或多个系统或组件之间交换信息并在交换后使用信息的能力”。该定义包括两个层次的渐进关系:

  • 语法互操作性:通信和交换数据的能力。基本要素包括数据格式标准、通信协议、接口标准等。
  • 语义互操作性:互操作系统之间交换的数据能够被对方正确处理和使用,即使数据真正成为有用的信息,产生有用的结果,并就有用性的定义达成共识。

尽管上述定义比国际标准ISO/IEC 2382-01《信息技术词典》中的定义更为简洁和抽象,但后者增加了一项功能,用户不需要或只需要获得不同系统或组件特征的有限知识。

在软件方面,上述定义下的互操作性可以用来描述不同程序使用同一组交换格式交换数据、读写同一文件格式和采用同一协议的能力。当用户使用不同的软件(如各种PDF阅读器)时,他们更注重功能体验,而不是底层技术模块的差异来实现功能。

社会经济政治领域

从广义上讲,互操作性指的是不同系统和组织协同工作的能力。虽然它经常用于技术系统和工程设计,但也将考虑影响系统性能的社会、政治和组织因素,业务流程的互操作性可能会产生重大的经济影响。

以下是一些具体的例子:

  • 医疗设备的“即插即用”互操作性实现了与其他设备协同工作的能力;
  • 医疗数据的“可用-无形”互操作性旨在保护个人隐私,提高合作创新能力;
  • 电子政务互操作性旨在通过制定数据标准和语义标准,提高跨境和跨语言合作能力;
  • 最近,河南大学生创建的“救命文件”也反映了全国各地资源调度系统和文件管理系统在大规模突发事件中的互操作性。

欧盟委员会认可的Nifo为如何建立可操作的数字公共服务提供了具体指导,并提出了四个互操作性级别:技术互操作性、语义互操作性、机构互操作性和法律互操作性;此外,它还包括为这四个级别交叉构建的综合公共服务治理层,以及作为基本支持的互操作性治理层(如图1所示)。

比特币图1.nifo提出的互操作性级别及其关系示意图

  • 技术互操作性是指能够连接系统和服务的应用程序和基础设施,包括接口规范、互连服务、数据集成服务、数据表示和交换以及安全通信协议。
  • 语义互操作性是指确保交换数据和信息的精确格式和含义在各方交换过程中得到保留和理解,从而实现“发送即理解”。
  • 机构互操作性是指公共行政部门调整其业务流程、职责和期望以实现共同商定的互利目标的方式,这与不同系统中业务流程之间的协作关系有关。
  • 法律互操作性是为了确保在不同法律框架、政策和战略下运作的组织能够协同工作。
  • 综合公共服务治理层是指为实现上述四个互操作性、就运营条款达成一致并更新管理流程而提供综合公共服务及其运营所必需的治理组织。
  • 运营治理层根据上述互操作性框架、制度安排、组织结构、角色和责任、政策、协议实现决策过程和治理过程,并确保和监测国家和欧盟层面的互操作性。

一般来说,前两个互操作性遵循计算机信息学领域互操作性的定义。在此基础上,nifo强调应用层和治理层的互操作性。这对于在多链共存、应用和治理系统相互独立的区块链生态系统中实现互操作具有一定的参考意义。

区块链领域互操作性的内涵

在此基础上,回顾区块链中的互操作性和跨链,可以认为跨链是互操作对象从源区块链系统到目标区块链系统的行为描述,互操作性是一个更广泛的表达,包括基于跨链行为的功能特征,也可以指非区块链系统(如DAPP)之间的交互。明确互操作性对象和互操作性系统的类可以帮助我们更好地理解互操作性的内涵。

互操作对象

信息跨链(如Polkadot、cosmos)和资产跨链(如wbtc)是目前常见的应用案例,但这可能只是区块链领域互操作性的冰山一角。区块链与其他系统的最大区别在于,区块链上的信息可以以不可复制(utxo和平衡模)、不可伪造(非对称加密)和不可篡改(共识机制)的方式流动,这使得它不同于一般信息,成为一种对象类,跨系统一致性难度更大,互操作性更复杂,而不是简单地标准化接口,可以实现清晰的数据格式和统一的通信协议。区块链使信息能够逐渐划分为更细粒度的表示:

  • 数字资产
  • 所有权声明
  • 域名
  • 帐户(公钥-私钥对)
  • 身份

这些细粒度的表达似乎作为微观结构单元或交互力量很好地结合到数字世界的经济网络和社会系统中。因此,除了大多数情况下看到的信息和资产外,跨链对象还可以是所有权声明、帐户、域名或身份。理想的互操作性是指:

  • 可以在新系统中使用信息;
  • 新系统中资产的留存价值;
  • 域名在新系统中作为同一门户访问;
  • 所有权声明在新系统中也有效;
  • 账户或身份在新系统中具有相同的操作权限、所有权声明或声誉。

将可互操作对象放在清晰的场景中进行定义和思考,可以帮助用户更清楚地理解各种可互操作表达式真正想要表达的目标。

互操作系统

基于互操作性系统不限于区块链系统的观点,我们观察了当前区块链生态中存在的不同层次的互操作性。

  • Nervos基于密码学抽象账户,实现各种系统的账户(包括互联网邮箱账户)可以在CKB上操作状态,从而降低Web3的用户访问阈值。这可以看作是一个技术互操作的用例,实现了account模块的“可插拔性”。
  • 以太坊DeFi应用程序之间的资产交换和流通通过调用方法实现语义互操作性——根据erc20代币标准,他们对各种erc20代币有共识。Lightning loan是DFI可组合性的一个典案例,可组合性的前提是互操作性。
  • 具有不同价值主张和多种实现方法的Layer2系统之间的互操作性不仅可以从语义层面考虑,还可以从应用层面考虑。赛勒网络在这方面提供了一些用户友好的解决方案。
  • Polyient network提出通过建立NFT领域的声誉系统和报价系统来实现NFT的跨链交易。本质上,它希望实现资产+身份+所有权的跨链可用性,这可能涉及应用层和治理层的互操作性。

互操作性的进展和风险

目前,区块链DeFi ecology已形成以太坊和多条特色链为主的竞争格局。DeFi和NFT生态相继发展,对互操作性提出了一些具体要求,如可扩展性瓶颈导致的多链结构和资产跨链流动;Layer2流动性碎片化跨链方案等。

在互操作对象方面,数字资产互操作标准在同质资产领域已经相当成熟,在非同质资产领域基本功能点的实现已经初具雏形,但在互操作功能的设计上还没有标准共识。对于其他操作对象类,很少尝试。

就互操作性系统而言,区块链、DAPP、第2层以及区块链系统与互联网之间存在一些互操作性场景,这表明生态连接正开始在更大范围内建立。跨系统生态应用的开发离不开成熟的系统间语义互操作性的建立,开发应用后必须考虑更高层次的互操作性。

在如何实现互操作性方面,对于特定的应用场景有很多案例,尤其是资产跨链解决方案,这是业界讨论更多跨链主题的方向。作为介绍,本文暂时不作深入讨论。

在建立互操作性的过程中,不可避免地存在着各种攻击向量,这些攻击向量至少可以分为两类:一类是互操作系统的设计漏洞;一是具体功能实现过程中的技术漏洞。从闪电贷款攻击案例的演变可以发现,通过互操作性将孤立的系统结合起来可能会导致巨大的经济漏洞。最近的跨链桥攻击也暴露了互操作过程中的风险。系统本身的安全性是否会因为互操作性而减弱也是一个值得研究的问题。

此外,在设计互操作协议时,还存在适应性问题。具有良好定义功能的互操作协议可能具有更好的健壮性和更容易的安全测试,但它们可能无法满足未来的需要;更具灵活性的协议可能有许多未知的风险,开发人员似乎总是要权衡各种选择。

总结与思考

本文从互操作性的定义和场景出发,阐述了IEEE和nifo对互操作性的两种定义。基于此解释,重新理解区块链领域的互操作性和跨链,指出区块链与非区块链领域互操作对象的区别在于区块链上的信息可以以不可复制的方式流动(utxo和balance模),伪造(非对称加密)和篡改(共识机制),使其不同于一般信息,成为跨系统共识难度更大、互操作更复杂的对象类,不能简单地通过标准化接口来实现,明确数据格式,统一通信协议。它还强调区块链使信息能够逐渐划分为更细粒度的表达式。在考虑特定场景的互操作性时,我们应该明确互操作性的对象和互操作系统的类,这可以帮助用户更好地理解各种互操作表达式真正想要表达的目标,并从技术、语义、,应用程序考虑从治理方面在应用场景中应该建立的互操作性。最后,本文简要分析了当前区块链领域互操作性的进展和风险点。

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