Cross-chain review： mechanisms， protocols， applications and challenges

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2022111643

Journal of Computer Applications ›› 2023, Vol. 43 ›› Issue (10): 3017-3027.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2022111643

Special Issue: 综述； 2022 CCF中国区块链技术大会 (CCF CBCC 2022)

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Cross-chain review： mechanisms， protocols， applications and challenges

Longfei CHEN¹^,²(), Zhongyuan YAO¹^,², Heng PAN¹^,², Gaoyuan QUAN¹^,², Xueming SI¹^,²

^1.Frontier Information Technology Research Institute，Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou Henan 450007，China
^2.Henan International Joint Laboratory of Blockchain and Data Sharing （Zhongyuan University of Technology），Zhengzhou Henan 450007，China

Received:2022-11-02 Revised:2022-12-02 Accepted:2022-12-13 Online:2023-05-08 Published:2023-10-10
Contact: Longfei CHEN
About author:YAO Zhongyuan， born in 1988， Ph. D.， lecturer. His research interests include cryptology， blockchain.
PAN Heng， born in 1977， Ph. D.， professor. Her research interests include blockchain， cybersecurity.
QUAN Gaoyuan， born in 1999， M. S. candidate. His research interests include blockchain.
SI Xueming， born in 1966， professor. His research interests include blockchain， cybersecurity.
Supported by:
Major Public Welfare Project of Henan Province(201300210300);Key Science and Technology Project of Henan Province(222102210168);Open Fund of Henan Key Laboratory of Network Cryptography Technology(LNCT2022-A12);Pre-research Project of Songshan Laboratory(YYJC032022021)

跨链综述：机制、协议、应用与挑战

陈龙飞¹^,²(), 姚中原¹^,², 潘恒¹^,², 权高原¹^,², 斯雪明¹^,²

^1.中原工学院前沿信息技术研究院，郑州 450007
^2.河南省区块链与数据共享国际联合实验室（中原工学院），郑州 450007

通讯作者: 陈龙飞
作者简介:姚中原（1988—），男，河南固始人，讲师，博士，CCF会员，主要研究方向：密码学、区块链
潘恒（1977—），女，河南新乡人，教授，博士，CCF高级会员，主要研究方向：区块链、网络安全
权高原（1999—），男，河南南阳人，硕士研究生，CCF会员，主要研究方向：区块链
斯雪明（1966—），男，浙江诸暨人，教授，CCF会员，主要研究方向：区块链、网络安全。
基金资助:
河南省重大公益专项(201300210300);河南省科技攻关项目(222102210168);河南省网络密码技术重点实验室开放基金资助项目(LNCT2022?A12);嵩山实验室预研项目(YYJC032022021)

Abstract

Abstract:

With the continuous development of the blockchain technology and its applications， the demand for interoperability among blockchains is increasing. However， the isolation and closeness of blockchain as well as the heterogeneity among different blockchains cause the "island of value" effect of blockchain， which seriously hinder the widespread implementation and sound development of blockchain based integrated applications. Cross-chain technology of blockchain solves the problems of data circulation， value transfer and business collaboration among different blockchains， and is also an important approach to improve the scalability and interoperability of blockchains. According to the degrees of the implementation complexity and the function richness of cross-chain technology， the cross-chain technology of blockchain was summarized and then classified into three types： the basic cross-chain mechanisms， the cross-chain protocols based on these mechanisms， and the cross-chain applications with system architectures. Finally， the existing problems in cross-chain interoperations were summed up， thereby providing systematical and theoretical reference for the further research on cross-chain technology of blockchain.

Key words: blockchain, interoperation, cross-chain mechanism, cross-chain protocol, cross-chain application

摘要：

随着区块链技术及应用的不断发展，人们对区块链之间的交互需求日益增加。然而，区块链技术的孤立性和封闭性以及不同区块链之间的异构性造成了区块链的“价值孤岛”效应，这严重阻碍了区块链技术集成应用的广泛落地和良性发展。区块链跨链技术解决了不同区块链之间的数据流通、价值转移和业务协同等问题，也是提升区块链可扩展性和互操作性的重要技术手段。根据跨链技术的实现复杂性和功能丰富性程度，从三个方面分类总结了区块链跨链技术：一是基础的跨链机制，二是基于这些机制构建的跨链协议，三是提供了系统架构的跨链应用。最后，总结了跨链互操作中存在的问题，从而为区块链跨链技术的进一步研究提供了系统性理论参考。

关键词: 区块链, 互操作, 跨链机制, 跨链协议, 跨链应用

CLC Number:

TP309

Longfei CHEN, Zhongyuan YAO, Heng PAN, Gaoyuan QUAN, Xueming SI. Cross-chain review： mechanisms， protocols， applications and challenges[J]. Journal of Computer Applications, 2023, 43(10): 3017-3027.

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Figures/Tables 9

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特性	哈希锁定	公证人	侧链/中继
资产交换	支持	支持	支持
资产抵押	支持	支持	支持
资产转移	不支持	支持（需共同的长期公证人）	支持
数据流通	支持	支持	支持
业务协同	不支持	不支持	支持
实现难易	简单	中等	困难
安全性	中	低	低
交易速度	慢	中	慢
验证模型	智能合约	公证人	SPV
监管模型	不支持	公证人	中继链
可扩展性	平行扩展	受限于公证人数	平行扩展
局限性	应用场景单一，仅限于数字资产	中心化程度高，依赖公证人的诚实性	SPV无法全面验证账本信息，实现难度高

特性	哈希锁定	公证人	侧链/中继
资产交换	支持	支持	支持
资产抵押	支持	支持	支持
资产转移	不支持	支持（需共同的长期公证人）	支持
数据流通	支持	支持	支持
业务协同	不支持	不支持	支持
实现难易	简单	中等	困难
安全性	中	低	低
交易速度	慢	中	慢
验证模型	智能合约	公证人	SPV
监管模型	不支持	公证人	中继链
可扩展性	平行扩展	受限于公证人数	平行扩展
局限性	应用场景单一，仅限于数字资产	中心化程度高，依赖公证人的诚实性	SPV无法全面验证账本信息，实现难度高

协议	可靠性	隐私性	可扩展性	可监管性	跨链类别	优势	劣势
CCASP	高	中	低	不支持	同构、异构	交易灵活，可随时终止	交易成本高
3PP	中	低	低	低	同构	兼容统一，满足一致性要求	无交易容错
GFAS协议	高	低	低	低	同构	有效抵御悲伤攻击	交易成本高，运行环境要求严格
PPCCS协议	中	高	低	不支持	同构	匿名交换	兼容性低，仅支持两方交换
NCASP	高	低	中	低	同构、异构	交易透明高效	存在多个待解决问题，如密钥泄露、网络阻塞等
CBATP	中	低	低	不支持	同构、异构	交易灵活，满足最终性要求	交易成本高
Burn-to-Claim协议	中	中	低	不支持	同构、异构	交易流程简单	基于安全的网络环境

协议	可靠性	隐私性	可扩展性	可监管性	跨链类别	优势	劣势
CCASP	高	中	低	不支持	同构、异构	交易灵活，可随时终止	交易成本高
3PP	中	低	低	低	同构	兼容统一，满足一致性要求	无交易容错
GFAS协议	高	低	低	低	同构	有效抵御悲伤攻击	交易成本高，运行环境要求严格
PPCCS协议	中	高	低	不支持	同构	匿名交换	兼容性低，仅支持两方交换
NCASP	高	低	中	低	同构、异构	交易透明高效	存在多个待解决问题，如密钥泄露、网络阻塞等
CBATP	中	低	低	不支持	同构、异构	交易灵活，满足最终性要求	交易成本高
Burn-to-Claim协议	中	中	低	不支持	同构、异构	交易流程简单	基于安全的网络环境

协议	可靠性	隐私性	可扩展性	可监管性	跨链类别	优势	劣势
PCRM协议	高	低	中	低	同构、异构	跨链访问信息的快速验证	在网络不稳定的情况下延迟性高
CCCES协议	高	低	高	低	同构、异构	高移植性和高实用性	隐私性低
DeXTT协议	中	低	中	中	同构	交易成本低	应用场景有限
XCLAIM协议	高	低	高	低	同构	满足交易的原子性	链上代币仅满足特定智能合约要求

Cross-chain review： mechanisms， protocols， applications and challenges

跨链综述：机制、协议、应用与挑战

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协议	可靠性	隐私性	可扩展性	可监管性	跨链类别	优势	劣势
IBC	中	低	高	高	同构、异构	兼容性高	跨链通信成本高
XCMP	高	低	高	高	同构、异构	跨链交互安全有序	系统规模小，处于实验阶段
IBTP	中	低	高	中	同构、异构	中继链验证引擎高效可拔插	网络通信开销大
MBCCP	高	中	低	低	同构	通道数据传输安全高效	无数据验证机制
DCTS	中	低	高	中	同构、异构	可移植，不受加密货币类型限制	成本高，未在以太坊主网上实现
CCWM	高	低	高	中	同构、异构	支持溯源查询	交易容错性低

跨链项目	跨链机制	研究要点	应用场景	实现功能
Cosmos	中继	IBC区块链间通信协议	不同区块链之间的跨链通信	资产交换、数据流通、业务协同
Polkadot	中继	XCMP跨链消息传递协议	异构的多链架构	资产交换、数据流通、业务协同
BitXHub	中继	IBTP通用的跨链传输协议	跨层级链间互操作服务平台	资产交换、数据流通、业务协同
Bancor		智能合约	数字货币流动性问题	资产交换、数据流通
Stader		智能合约	原生质押	资产交换、数据流通
Poly Bridge NFT	公证人	跨链桥技术	NFT交易	资产交换、数据流通
EMR Sharing System	公证人	主从多链分层跨链模型	医疗数据的可信共享	资产交换、数据流通
IBE-BCIOT	公证人	代理节点的选举和事务管理	在物联网网络环境中实现不同区块链之间的安全高效的通信	资产交换、数据流通
Settlement Protocol	哈希锁定	智能合约	有效解决了金融证券系统结算过程中安全和结算速度问题	资产交换、数据流通
Payment Scheme	哈希锁定	跨链支付通道、加密通信算法	能源交易系统的安全支付	资产交换、数据流通

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[12]	Miao JIA, Zhongyuan YAO, Weihua ZHU, Tingting GAO, Xueming SI, Xiang DENG. Progress and prospect of zero-knowledge proof enabling blockchain [J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(12): 3669-3677.
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