跨链桥：设计、权衡和机会

在过去的一年里，以太坊作为主要智能合约区块链的主导地位受到了其他第一层的挑战。多链世界不再是一种怀疑；它变成了现实。随着这些新链得到采用，它们的共识机制、智能合约语言和社区价值将Web3“打碎”，使它变成各种生态系统。

L1市场份额(占TVL的百分比)

这些生态系统为各自的社区创造价值，但由于缺乏互操作性，使其失去了很多跨链的协同价值。碎片化也导致了部落化的增加，更多的攻击载体，以及更糟糕的用户体验。

为了产业的发展和获得数十亿的新用户，这些链之间的摩擦必须最小化。这是加密桥的主要目标。

本报告将涵盖桥的定义、不同桥设计的分类、不同设计之间的权衡、与桥相关的风险，以及我们对桥生态系统未来的看法。

桥的定义和分类

最抽象的理解，就是桥在两个或多个区块链之间传输信息。桥的主要用处就是把一个区块链上的资产交换为另一个链上的资产。不仅如此，桥还可以用于将数据或消息从源链传递到目标链。目前有超过100个的区块链桥用于在第1层和第2层生态系统之间传输信息。这种日益复杂的情形使得新进入的人很难理解该领域，因此用框架来简化各种设计可能是有帮助的。最近，Arjun Chand创建了一个有用的框架，将许多类型的桥分成不同的类别。我们采用类似的方法对各种形式的桥进行分类。

桥可以根据许多特征进行分类。这包括他们如何跨链传递信息，他们的信任假设，以及他们连接的链的类型。

我们认为，最重要的因素是他们如何将数据从一个链转移到另一个链。

跨链机制

基于池的桥

为了理解基于池的桥是如何工作的，现在让我们举个例子：一个想要将USDT从以太坊转移到Polygon的用户。用户首先将以太坊版本的USDT存入以太坊上的指定的合约地址(也就是池)，并指定该USDT应归属于的Polygon网络上的接收地址。桥使用此信息将Polygon版本的USDT转移到指定的Polygon地址。

基于池的桥机制

这种设计的一个主要限制是，桥必须在目标链的池中有足够的资产，以便用户能够移动资金。在上面的例子中，如果Polygon的USDT池是空的，存放在以太坊池中的USDT将被“卡住”，直到另一个用户用足够的USDT来补充Polygon的USDT池，并有从Polygon到以太坊进行反向转账的需求。此外，这些类型的桥只允许一种类型资产的跨链转账。以太坊上的USDT，想要在Polygon上换成MATIC，那就只能是在Polygon上收到USDT后完成该操作。

这种设计的主要优点是，用户在新链上收到代币后，不需要依赖池的安全性。他们收到的资产是新链上资产的原生版本，因此不依赖于赎回基础资产来维持其价值。这与另一种常用的桥架设计相反：锁定&铸造/销毁&赎回。

锁定&铸造/销毁&赎回

另一种常见的桥使用一种被称为“锁定”或“销毁”的机制。我们将再次使用上一节中的以太坊 USDT到Polygon USDT的例子来描述该机制的工作原理。与之前一样，用户首先将以太坊版本的USDT存储到桥拥有的指定合约地址中，并指定接收地址。这个步骤被称为“锁定”。然而，与之前不同的是，这种类型的桥在Polygon上“铸造”或发行自己版本的存储资产，并将其记入接收者的账户中。这些被铸造的代币通常被称为“打包”代币，它们的价值取决于最终将它们赎回为源链上的基础资产的能力。当用户想要回到以太坊时，打包好的代币被简单地发送到Polygon上的桥接合约地址并进行“销毁”。这允许以太坊上的基础资产被赎回并发送到指定的接收地址。

锁定USDT到铸造打包的USDT

销毁打包的USDT到解锁USDT

由于打包代币依赖于其可赎回性来维持其价值，所以打包资产的持有者面临智能合约的风险。如果源链上的池被利用并被耗尽基础资产，打包的代币将变得毫无价值。这正是最近在Wormhole桥上发生的事情，造成了超过3.2亿美元的损失。

也就是说，锁定&铸造/销毁机制的优势在于，这些桥可以始终允许从源链到目标链的资产转移，反之亦然。这是因为目标链上的桥合约中不需要有一个可用的代币池。这些类型的桥在可扩展性方面具有优势。

原生交换桥(具有去中心化的中介链)

这种类型的桥在过去一年多的时间里越来越受欢迎，大概率是由于THORChain的逐渐壮大。原生交换桥允许用户将源链上的原生代币交换为目标链上的另一个原生代币。例如，用户可以在各自的链上将原生BTC交换为原生ETH，而不需要打包资产。这是通过使用跨链自动做市商(AMM)，以及使用监控和记录源链和目标链状态的中介链来实现的。尽管跨链交换不同原生资产的功能是非常有用的，但这种类型的桥使用的是最复杂的转账机制。

为了简单地解释它是如何工作的，让我们看一个从BTC到ETH的例子，使用THORChain架构的基本版本作为参考。

通过去中心化的中介链和内置的AMM将原生BTC换成原生ETH

在这个例子中，持有BTC的用户首先将这个BTC发送到一个比特币地址，这个地址被称为金库。这个金库会由许多节点进行控制和监控，这些节点观察进来的交易，并记录中间链上比特币金库的更新状态(例如THORChain)。一旦节点确认金库收到了BTC，节点就会计算适当数量的 ETH 以记给以太坊区块链上的用户。与任何其他AMM交换一样，跨链互换执行的价格取决于互换的规模，就是相对于两个链上的金库中可用的BTC和ETH的各自数量。“消耗”大量可用流动性的较大交换与使用很少可用流动性的小交换相比，前者会以更不利的价格执行。一旦交换金额计算出来，中介链就会向以太坊网络发送一条消息，从金库地址向用户的接收地址发送适当数量的ETH。

与基于池的桥相比，带有中介链的原生交换桥提供了更高级别的去中心化和抗审查。对于桥用户来说，它还可以避免打包资产带来的智能合约风险，但流动性提供者的资产仍然可能因为黑客或漏洞，使他们从AMM的流动性池中被盗。

尽管该类型的桥有这些优点，但他们的结构比其他桥设计要复杂得多。创建一个可信的去中心化的原生互换桥是高度资本密集型和耗时的。例如，为了实现从BTC到ETH的原生交换，每个THORChain节点必须同时运行一个完整的比特币节点和一个完整的以太坊节点。此外，必须激励每个THORChain节点诚实可靠地行为。

原生交换桥(通过稳定币交换)

这种类型的桥旨在提供原生交换的便利性，并结合基于池的桥架构的简洁性。从本质上讲，这些桥的工作方式很像基于池的桥，但是添加了一个额外的步骤，允许用户在目标链上接收不同于他们存放在源链上的资产。这类桥的一个例子是LayerZero Labs的Stargate桥。我们将再次使用一个例子来解释它们是如何工作的。现在举一个从SOL到ETH的原生交换的例子。

通过使用两个AMM和跨链Stableswap桥交换原生SOL和原生ETH

同样，用户首先将其资产SOL存入Solana的指定合约地址，该地址属于桥。然而，与之前的例子不同，这种存款实际上触发了SOL到Solana上的稳定币的AMM交换。例如，它可以将SOL换为USDC。从这里开始，这座桥的功能就像一座基于池的桥；桥提供者将Solana合约地址中的稳定币余额记入用户的以太坊合约地址上。最后，一旦USDC在以太坊上被记给了用户，桥接器就会执行另一次从USDC到ETH的AMM交换。然后这个ETH被记入用户指定的接收地址。从本质上讲，这些桥的功能是基于池的桥，只在链上转移稳定币，以便在跨链转移过程中提供更好的价格执行。与往常一样，这两条链上的AMM交换执行价格是交换桥相对于两个池中可用流动性的函数。

该体系结构避免了打包资产的智能合约风险，并提供了比中间链体系结构更简单的跨链通信机制。但是，根据每个AMM的流动性，也有可能得到不利的交换价格。

Home/Replica合约消息传递(通过乐观的欺诈证明)

这种特殊类型的桥利用位于独立链上的两个合约地址，称为Home合约和Replica合约，以及四个不同的被激励的链下参与者来跨区块链的发送消息。也许这类协议中最值得注意的是Nomad，它允许多链应用程序更容易地进行跨区块链生态系统的通信。让我们通过另一个简单的例子，从以太坊发送消息到Polygon来解释它是如何工作的：

通过受激励的链下参与者进行更新、监控和传播的Home合约和Replica合约来跨链发送消息

以太坊上的用户通过向以太坊上的Home合约地址提交消息来开始整个旅程。Home合约收集此消息，并将其与接收到的其他消息一起放入队列中。此时，一个被称为“更新者”的链下参与者签署此消息组，以更新Home合约的状态。为了签署这些消息，更新者必须发布Home合约的抵押品，如果后来证明发生了任何恶意行为，该抵押品将被大幅削减。第二个链下参与者，“观察者”，会监控Home合约和Polygon上的Replica合约，以确保所有消息都被记录并正确发送。由于桥依赖于乐观的欺诈证明，观察者会负责提交恶意活动的证明，以阻止其被处理，并惩罚恶意更新者。否则，消息将被桥认为是正确记录并已被发送(因此命名为“乐观”)。假设观察者没有检测到更新者操作的问题，链下的第三个参与者，“中继者”，将把消息传输到Polygon上的Replica合约。最后，第四个链下参与者，“处理者”，将消息从Replica合约传播到消息的最终接收者。

这种架构更适合于区块链之间的消息/数据传输，但理论上也可以用于转移资产，因为资产转移最终只是描述账户余额变化的数据。

这种桥设计的一个主要缺点是存在一个持续约30分钟的争议时间延迟(DTD)，在这个时间延迟中，观察者会检查到可疑行为并争夺恶意交易。Connext和Hop这两个协议可以通过允许其他市场参与者在欺诈证明窗口过期之前直接向最终接收者发送代币来缩短等待时间。实际上，这两种协议承担了与恶意交易相关的风险，目的是向希望获得更快流动性的接受者收取费用。

需信任的与去信任的

在这个分类中，桥分为两类。他们要么是a)需信任的 ，要么是b)去信任的。换句话说，用户要么信任第三方来维护桥的安全性和操作，要么依赖以分布式方式设计和运行的软件，这样单个实体就不能改变其状态或操作。一些需要信任的桥的例子包括xPollinate、Matic Bridge和Binance Bridge。一些去信任的桥的例子包括THORchain、Ren和Cosmos IBC。

重要的是，需信任的与去信任的之间的区别并不是犹如黑与白那样分明。与具有更大、更异构的运营商集合的系统相比，具有更小或更集中的运营商集合的分布式软件协议将更容易受到单点故障的影响。同样，要求用户将资产锁定在合约地址中以换取打包资产的桥也要求用户相信代码的编写方式是可以防止漏洞利用或盗窃的。非托管桥不需要这种信任，因为它们通常由中心化实体运行。

他们连接什么？

从第 1 层到第 1 层

第1层到第1层的桥允许用户将资金从一个L1生态系统转移到另一个当中。例如，Wormhole的Portal桥可以使资产从Solana转移到以太坊。通过增加这些第1层生态系统之间的互操作性，Web3用户可以自由地在他们喜欢的链上花费时间和资源，同时保持随时切换链的灵活性。

从第 1 层到第 2 层

第1层到第2层桥允许L1链(如以太坊)与建立在第1层链之上的L2链进行通信。例如，用户可能希望将ETH从以太坊主网连接到Arbitrum, Optimism或ZkSync。他们可以通过使用每个L2的原生桥来转移他们的代币，或者他们可以使用第三方桥，如Across。随着L2生态系统的持续增长，这些桥将在以太坊主网活动向L2的过渡中发挥重要作用。

从第 2 层到第 2 层

随着2022年上半年的结束，第二层的路线图也变得越来越清晰。Polygon的各种第二层扩展解决方案(Miden, Hermez, Nightfall)， Starkware的ZK-rollup Starknet，以及Matter Lab的ZkSync 2.0将为开发人员提供必要的核心构建模块，以构建不被过高的gas费用所干扰的应用程序。然而，这些不同的L2并不是天生兼容的，所以它们有可能演变成我们在L1中看到的那种“支离破碎”的场景。L2到L2的桥的目标是确保L2生态系统保持高吞吐量、低gas费用和高安全性的优点，同时减少潜在的L2生态系统的分裂。一些积极致力于实现这一目标的项目包括Hop Protocol 和 Orbiter Finance。

桥的权衡

尽管有几十种桥的设计，但没有一种桥能够获得互操作性三难的所有特性。互操作性三难困境，一个由Arjun Bhuptani创造的术语，指出桥只能拥有以下三个属性中的两个：通用性、可扩展性和去信任性。

通用性：能够在两个链之间传递任意数据

可扩展性：能够在异构链上快速部署

去信任性：将信任假设最小化

互操作性的三难困境

类似于可扩展性三难困境，当一个桥选择其中两个属性时，最后一个属性就会受到影响。例如，Connext是一个去信任的桥，它支持在两个兼容EVM的链之间进行代币转账。目前，它不能传递任意数据，这意味着它将可扩展性和去信任性优先于通用性。其他的桥，如ZetaChain，优先考虑可扩展性和通用性，以牺牲去信任性为代价，所以其需要额外的信任层。

由于桥的主要用例是两个区块链之间的代币转账，大多数项目都选择了通用性和可扩展性，以快速部署在异构链上，并保持传递任意数据的灵活性。这使得这些类型的桥比许多竞争对手部署得更快，并满足了市场对代币转账的需求。虽然这对许多用户来说是一种未知的代价(在风险部分中会涉及到)，但这些类型的桥可以将它们的用例从执行简单的代币转账扩展为更全面的开发人员平台。

我们可以通过将桥比喻成连接两个高度拥挤的城市的收费公路，来说明桥从代币转移机制到应用程序平台的过渡。每当用户想从A市前往B市时，收费公路就会收取费用。桥已经慢慢地从收费公路模式转向城镇模式，即开发者在桥上构建应用程序，在A市和B市之间创建一个城镇。

庞大的城镇(生态系统)最终将在连接不同城市的收费站(桥)上发展(区块链)

因为有些桥拥有成千上万的用户，并且已经转账了数十亿美元的流量，他们可以利用现有的用户活动来激励开发者在他们的桥上构建应用程序。继续以收费公路为例，我们可以将开发者比作雄心勃勃的企业家，他们在目睹了大量市民(用户)的涌入后决定搬进小镇。在看到更多的活动在这个城镇发生后，其他企业家也会“搬到这个城镇，开始创建更大的企业(应用程序)。不久，这个小镇变得更大了，以前作为两个大城市之间的交通工具的收费公路现在成为了通往这个蓬勃发展的小镇的门户。

桥作为应用平台或“零层”

在前面的类比中，有一些值得注意的项目正试图成为蓬勃发展的”城镇“。这些项目专注于创造跨链连接数据的新方法，同时为dapp生态系统提供基础。它们包括：

RenVM

前面提到的收费公路和城镇类比的一个例子是RenVM和Catalog协议。RenVM使用前面描述的锁定&铸造/销毁&赎回机制支持跨链事务交易。这允许用户利用被称为“renBTC”的打包BTC代币在以太坊和Polygon之间转移BTC。桥接可以被看作是构建在RenVM之上的一个应用程序。除此之外，Catalog是一个协议，它在推广RenVM模块以在RenVM本身内构建自动做市(AMM)解决方案方面迈出了第一步。Catalog是第一个使用“无限流动性”机制建立的。无论它们存在于哪个链上，这种AMM设计不仅使用Catalog自己的流动性池，而且也会利用第三方DEX的流动性池。Catalog与RenVM及其现有的用户生态系统合作，在熟悉的用户体验中支持更复杂的交易类型。

LayerZero

LayerZero是一个通信原语，它允许跨具有LayerZero端点的EVM链发送数据和信息。LayerZero端点本质上是链上客户端。具有ZRO端点的链可以与任何其他具有ZRO端点的链进行交易。第三方预言机服务(如Chainlink)需要位于端点之间，并充当交易和消息传递安全机制。

LayerZero通过要求Oracle和Relayer这两个独立实体对交易进行验证来确保跨链通信的有效性

部署在各种第1层区块链上的应用程序会发现这种方法非常简单。例如，如果Dapp是在Polygon上构建的，那么使用端点并将Dapp快速加载到LayerZero上是一个相当简单的任务。去中心化的应用程序如Stargate使用由LayerZero设定的通信标准来创建去中心化的交易所/桥。

ZetaChain

ZetaChain是第1层区块链，不需要打包资产来跨链转移价值，也不需要每对区块链都有桥。这是通过Zetachain使用跨链消息传递实现的，它允许跨链和层发送数据和价值。利用全链智能合约，开发人员可以对ZetaChain进行编程，以侦听连接的区块链上的事件并对其采取行动。ZetaChain依靠验证者节点的共识来保护自身安全，并通过分布式阈值签名方案来保护连接链上的私钥，以避免单点故障。PoS为验证者提供了正确操作的激励。

Zetachain与LayerZero等其他竞争对手的区别在于，即使是没有智能合约的区块链，如比特币，也可以被纳入到多链网络。

这些桥平台允许链之间的互操作，并允许在其上建立新的生态系统。这使得除了从链A发送代币到链B之外的新用例成为可能。也就是说，桥/桥平台的每个独特机制都有一定程度的风险。

与桥有关的风险

考虑到跨链消息传递所涉及的技术复杂性，在使用桥时存在各种风险。一些主要的风险包括:

桥的风险

为了减少审查风险和停止使用风险，用户可以简单地限制对需信任桥和乐观桥的使用。然而，安全风险永远不可能完全的被避免，因此了解可能的攻击向量以评估哪些安全系统比其他系统更健康是很重要的。

用来破坏桥安全的两种主要攻击向量是1)智能合约漏洞；2)信任根漏洞。

桥的两个主要攻击矢量向量

当恶意参与者成功地攻击了桥的应用层时，就会发生智能合约漏洞。由于大多数桥必须在它们连接的所有链上部署安全的智能合约，较新的区块链更容易成为攻击的目标。像Rust、CosmWasm和Substrate这样的语言都有不断增长的开发人员社区，但是它们没有像Solidity这样成熟的语言那样拥有相同数量的开发人员工具和审计公司，所以漏洞进入主网的可能性更高。在开发桥时，如果考虑到速度和竞争因素，就很容易理解为什么智能合约漏洞是黑客最常见的攻击载体。

至于利用信任源，这些黑客需要一个恶意的参与者成功地攻击桥使用的底层验证方法。在Ronin中，恶意攻击者通过访问Sky Mavis的9个私有密钥中的5个来攻击诚实的大多数假设。一旦黑客攻破了Sky Mavis的安全系统，接下来的事情就成了历史。

正如人们所看到的，这些漏洞很难从外部看到，但与安全系统相关的成本可能是巨大的。在过去的一年里，桥漏洞的累计成本超过了15亿美元。

在过去的一年中值得注意的桥漏洞事件

更糟糕的是，不知情的web3用户在使用更高的TVL/TVB桥时很容易觉得更安全，因为这些桥看起来足够强大，可以处理大量的代币转账；然而，TVL/TVB与安全性之间并无明显的关联。事实上，有人可能会说，随着TVL/TVB的增加，恶意行为者会有更大的经济动机去寻找漏洞，桥的安全也会面临更大的风险。

因此，在转移资金时应该考虑了解使用的桥的底层安全系统。如果散户需要快速发送0.5 ETH以确保NFT铸造，那么安全不需要是最优先级。然而，如果一个DAO计划将10,000 ETH转移到另一条链上的合约时，那么桥的底层安全应该仔细被检查。

总结

随着加密行业的持续发展，新的桥设计将被探索，新的安全模型将被验证，新的基于桥的应用将不断出现。一些桥的成功将使协议和社区之间有更大的互连。虽然随着不安全的桥被过滤掉，可能会有一些短期的痛苦，但该行业的未来看起来是光明的。