一文探討5個消息跨鏈項目的安全機制

2023/05/05 17:30

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原文作者：Ailsa

多鏈生態的繁榮催生了用戶對跨鏈的需求。鏈與鏈之間的跨鏈交互的日益增加，但與此同時跨鏈安全事件頻頻發聲，跨鏈安全成爲市場關注的焦點。根據成都鏈安等聯合發布的《 2022 年全球Web3區塊鏈安全態勢報告及加密行業監管政策總結》， 2022 年Web3領域因各類攻擊造成的總損失達到了 36 億美元，其中跨鏈應用安全事件造成的損失佔比 52.5% ，居所有項目類型損失第一位。

根據公开數據整理， 2021 年和 2022 年共發生 25 起跨鏈應用安全事件， 19 個跨鏈橋項目遭到攻擊，總損失額達到 26.46 億美元。黑客攻擊導致損失上億美元的跨鏈項目包括 Ronin Bridge、Poly Network、Binance Bridge、Wormhole、Nomad、Harmony Bridge (Horizon) ，損失金額分別達到了 6.24 億美元、 6.11 億美元和 5.7 億美元、 3.26 億美元、 1.9 億枚美元和 1 億美元。

圖 1 損失金額排名前 10 的跨鏈項目

通常情況下跨鏈項目匯集了大量資產，所擁有的 TVL（Total Value Locked，總鎖倉價值）遠遠超過一般的區塊鏈協議，這就使得跨鏈項目很容易成爲黑客攻擊的首選目標。跨鏈的安全性至關重要。

安全性不僅來源於跨鏈解決方案本身帶來的安全性，還根植於項目決策者爲預防和防控安全危機的發生所設計的安全政策。

當前市場對跨鏈的需求主要面向數字資產，但跨鏈不僅局限於資產的轉移和交換，隨着區塊鏈承載的職能越來越豐富，區塊鏈的跨鏈一定會從當前的資產跨鏈，發展到消息跨鏈和功能跨鏈，從單一類別數據的跨鏈發展到通用數據的跨鏈。

目前市場已有跨鏈項目开始布局消息跨鏈領域。如 Axelar、Celer Network、Layerzero、Multichain、Wormhole、Chainlink CCIP、Polkadot XCMP 以及 Cosmos IBC 等。由於 Chainlink CCIP 的开發开發仍在進行中，Polkadot XCMP 以及 Cosmos IBC 主要適用於同構區塊鏈之間的跨鏈，因此本文主要對 Axelar、Celer Network、Layerzero、Multichain 和 Wormhole 這 5 個更具有拓展性的消息跨鏈項目進行安全性相關內容的梳理和總結。

一、跨鏈解決方案帶來的安全性

跨鏈技術主要解決的是不同區塊鏈之間資產或者信息無法交互的問題。一筆跨鏈流程由多個不同區塊鏈交易組成，分別運行在不同的區塊鏈系統，由於不同鏈之間存在共識機制、規則等差異，因此在跨鏈過程中，需要對跨鏈的內容進行驗證，以保障跨鏈過程中的安全性。

跨鏈安全屬性與跨鏈橋的去信任化水平息息相關，去信任水平體現在跨鏈項目如何驗證起始鏈狀態以及將交易傳輸到目標鏈過程中。每個跨鏈解決方案都有自己的安全和信任機制。

1.Axelar

Axelar 是一個旨在爲WEB3 提供安全跨鏈通信的通用覆蓋網絡， 2022 年 5 月，Axelar 在其主網上啓動了通用消息傳遞。通過 Axelar 通用消息傳遞功能，可以跨所有鏈啓用多對多通信，允許用戶組合 DeFi 功能、移動代幣和 NFT，以及在各種生態系統的 dApp 之間執行任何類型的多鏈調用。 Axelar 通過部署多層防御來解決復雜的網絡安全問題。其安全堆棧始於 POS 共識和多樣化的節點技術堆棧。

圖 2 Axelar 技術堆棧圖

Axelar network 本身是一條基於 Pos 共識的L1區塊鏈，Axelar 由去中心化網絡的驗證人、安全網關合約、統一翻譯、路由架構以及一套適用於協議和應用的編程接口（APIs）組成。

Axelar 通過其網絡的驗證者運行不同鏈的節點獲取並同步各個區塊鏈系統中的狀態信息。驗證者由 Token 持有者選舉產生，並按比例獲得投票權，投票權重由委托權益加權計算得出。目前 Axelar 網絡已經激活的驗證者有 70 個，並且必須獲得超過 66.67% 的多數投票才能籤署消息。

此外，投票權偏斜會降低PoS系統的安全性。Axelar 爲 PoS 爲緩解驗證者的不均衡性問題，防止投票權利過於集中，採用了二次方投票的方案，籤名權重將與驗證人質押的 Token 數量的平方根成正比。當驗證者不斷增加質押數量，投票權累計變得更加困難。

2.Celer IM

Celer IM 是 Celer Network 面向开發者的工具和基礎設施，cBridge 可以看作是建立在 Celer IM 上的資產橋梁。

Celer 爲所有用戶設置了雙重安全保障。

首先是 cBridge 的安全由 State Guardian Network（簡稱 SGN）保障。SGN 是一個基於 tendermint 的 PoS 區塊鏈，Celer Network 旗下的其他產品，包括 cBridge 和 Celer IM，在跨鏈交易中都高度利用了 SGN 的 PoS 安全性、快速確認和低成本的特徵。

SGN 有 21 個驗證者，一條信息必須由 2/3 的驗證者批准，想要成爲 SGN 的驗證者需要質押代幣 CELER。此外 Axelar 設置了質押和罰沒機制。如果驗證着出現故障或者被惡意破壞，將承擔罰沒的風險，質押 CELR 的數量越多，網絡越安全。

目前，Celer 狀態守衛者網絡 2.0 已成功升級。相較於 SGN 1.0 ，SGN 2.0 着重優化了其從交易中捕獲價值的能力：對於 cBridge 而言，SGN 捕獲的價值基於其在 cBridge 資金池模式中每次處理交易量的大小；對於 Celer IM 而言，價值捕獲基於跨鏈消息的大小。

中間延遲是 Celer 爲 Dapps 專門設置的一個額外保障。即使大部分 SGN 被黑，如果沒有資產真實發送，Celer 可以通過中間延遲的方式打斷在目標鏈上的鑄造，Dapps 可以在延遲的抉擇上做出不同的選擇與權衡。在這個延遲期間，dApps 可以實現或委托 SGN 節點作爲一個監護人服務，對消息進行雙重認證，在這個過程中監護人需要保持誠實和功能。

3.Layerzero

LayerZero 是一種全鏈互操作性協議，專注於鏈與鏈之間的數據消息傳遞 LayerZero 也是一個傳輸層協議，並沒有應用層，LayerZero 的架構主要包含端點（Endpoint），中繼節點（Relayer）和預言機（Oracle）。

圖 3 Layerzero 的通信過程（來源：Layerzero 白皮書）

LayerZero 通過將消息及消息證明傳遞和驗證 Relayer 傳遞交易兩者做分割，確保跨鏈過程的安全。Relayer 負責傳遞消息及消息證明，Oracle 負責根據消息所在區塊，按需從源鏈獲取區塊頭，然後目標鏈上的終端根據 Oracle 獲取的區塊頭驗證 Relayer 傳遞的交易。layerzero 對區塊頭本身的驗證由作爲外部驗證人的第三方 Oracle 網絡來完成的，驗證過程發生在鏈下，本質上仍是需要信任第三方的一種行爲。此外 Layerzero 跨鏈消息的有效傳送需要其中繼節點和預言機互相獨立，需要假設預言機和中繼器之間不竄在惡意的勾結。

4.Multichain anyCall

Multichain 的前身是 Anyswap，是一個專注於跨鏈賽道的基礎設施，致力於成爲 Web 3 的終極路由器。 anyCall 是 Multichain 在其 Bridge 和 Router 產品基礎上抽象出的新一代綜合消息跨鏈交互協議。

Multichain 的跨鏈技術方案採用了安全多方計算（Secure Muti-party Computation，簡稱 SMPC）解決方案，通過獨有的密鑰分片技術，密鑰分片分布在不同的節點上，每個節點獨立擁有部分私鑰，完整的私鑰在整個 MPC 網絡生命周期內都不會出現，通過 SMPC 安全多方計算+TSS 門限籤名技術，確保密鑰生成、存儲和驗籤的全程安全，並在這種安全保證基礎上實現節點之間的互操作。

根據 anyCall 白皮書內容，anyCall 由位於下層的鏈外信任機制和上層的部署在鏈上的調用/觸發 API 組成。其中由鏈外信任機制負責對源鏈“消息”鑑證共識，並按照指定的邏輯執行目標鏈尋址，並構建相應操作。

圖 4 anyCall 技術架構（來源 anyCall 白皮書）

底層 fastMPC 去中心化的信任機確保了 anyCall 的綜合消息跨鏈交互協議的去中心化屬性。目前 Multichain 網絡由 21 個節點組成，由不同的機構運行，並且需要大多數節點來共同驗證消息。Multichain 的安全性依賴於節點的聲譽。SMPC 節點成員不需要質押，且相對固定，AnyCall 的安全建立在對 SMPC 節點的信任假設基礎上。

目前 Multichain 已經將底部信任層從 SMPC 網絡升級到了 fastMPC Network。fastMPC 節點的執行速度比原有的 SMPC 1.0 快 4-5 倍，是更快速、更流暢的跨鏈解決方案，同時由於 fastMPC 向社區公衆开放，這種开放式的模式去中心化優勢更加突出。

5.Wormhole

Wormhole 是一種通用的消息傳遞協議，Wormhole 的信任層採用 PoA 機制構建，由一組受信任的 Guardians（守護者）負責鏈間消息的驗證、傳輸和處理從一個區塊鏈到另一個區塊鏈的消息。Guardians 是特定的具有資本背書和聲譽背書的主體，包括 Jump Crypto、Everstake 和 Chorus One 等知名機構。目前守護者網絡有 19 名守護者，守護者負責 Wormhole 網絡上的交易驗證, 2/3 的守護者需要共同驗證,一旦共識達成, 證明將會發送至目標網絡進行交易或者特定合約執行。

圖 5 跨鏈解決方案帶來的安全性

值得說明的是，基於 SMPC 的跨鏈方案和多重籤名方案相比更具有去中心化的特性。多重籤名方案需要驗證者擁有完整的私鑰對交易進行籤署，而在基於 SMPC 的方案中，整個密鑰管理周期內，完整的私鑰從未真正出現過，驗證時並不獨立擁有完整的私鑰，籤名確認交易只需湊齊幾個私鑰分片的籤名即可，不存在泄露完整私鑰的問題。