[论文解读] Atomic Crosschain Transactions White Paper

Peter Robinson, Raghavendra Ramesh+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 6被引用 6

一句话总结

本文提出了一种新型的原子跨链交易协议，专为私有以太坊区块链设计，可在不依赖HTLC、中继链或可信中介的情况下，实现同步、原子化的跨合约与跨区块链函数调用。该协议利用BLS门限签名、带实时参数校验的嵌套交易、用于状态管理的协调合约，以及动态代码分析，确保跨区块链的一致性与安全性，通过协调合约与超时机制实现原子性。

ABSTRACT

Atomic Crosschain Transaction technology allows composable programming across private Ethereum blockchains. It allows for inter-contract and inter-blockchain function calls that are both synchronous and atomic: if one part fails, the whole call graph of function calls is rolled back. It is not based on existing techniques such as Hash Time Locked Contracts, relay chains, block header transfer, or trusted intermediaries. BLS Threshold Signatures are used to prove to validators on one blockchain that information came from another blockchain and that a majority of the validators of that blockchain agree on the information. Coordination Contracts are used to manage the state of a Crosschain Transaction and as a repository of Blockchain Public Keys. Dynamic code analysis and signed nested transactions are used together with live argument checking to ensure execution only occurs if the execution results in valid state changes. Contract Locking and Lockability enable atomic updates.

研究动机与目标

• 在不依赖HTLC或中继链等现有跨链模式的前提下，实现跨私有以太坊区块链的可组合、原子化跨链交易。
• 通过将协调逻辑嵌入以太坊客户端软件，为应用开发者抽象出跨链复杂性。
• 通过协调合约与密码学证明，确保跨多个区块链的交易原子性与一致性。
• 提供一种安全、去中心化的跨链函数调用机制，保证失败时回滚、成功时提交。
• 在拜占庭与崩溃故障模型下，为协议建立形式化的安全与活性属性。

提出的方法

• 协议使用嵌套的以太坊交易与视图，其中在某一区块链上发起的交易会触发其他区块链上的从属交易与视图。
• 通过动态程序分析推导出预期参数值，生成已签名的从属交易与视图，以确保正确性。
• 使用BLS门限签名对跨链消息进行密码学绑定，证明源区块链上的多数验证者对交易数据达成一致。
• 在指定区块链上部署协调合约，用于维护每笔跨链交易的全局状态，包括状态（已提交、被忽略或待处理）。
• 每个参与区块链的验证者使用本地计时器检测超时；若交易超时，协调合约将更新为“被忽略”状态，触发所有链上的回滚。
• 实时参数校验确保执行期间的实际函数参数与已签名从属交易及视图中的预期值一致，防止不一致的执行。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不依赖HTLC、中继链或可信中介的情况下实现原子化跨链交易？
• RQ2 哪些密码学与共识机制可确保在多个私有以太坊区块链之间实现强一致性与原子性？
• RQ3 如何利用动态程序分析确定跨链函数调用的预期参数值？
• RQ4 协议在拜占庭与崩溃故障模型下的安全与活性属性是什么？
• RQ5 如何在最小信任假设下实现跨多个区块链的协调？

主要发现

• 协议通过协调合约全局追踪交易状态，并根据协调合约的最终状态在所有区块链上强制执行提交或回滚，从而确保原子性。
• 安全性已形式化证明：若交易被提交，则所有参与链均提交其暂存状态；若被忽略，则所有链均回滚。
• 活性得到保障：由于超时机制的存在，所有交易最终都会终止，即使协调节点崩溃。
• 通过强制实际函数参数与已签名从属交易及视图中的预期值一致，协议防止了不一致的执行。
• BLS门限签名提供了密码学可验证的证明，表明源区块链上的多数验证者对交易数据达成一致，从而实现无信任的跨链验证。
• 系统对协调节点的崩溃故障具有弹性，因为超时机制与协调合约状态更新可确保最终终止与一致性。