[论文解读] HyperService: Interoperability and Programmability Across Heterogeneous Blockchains

Zhuotao Liu, Yangxi Xiang+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 36被引用 16

一句话总结

HyperService 是一种新型的区块链互操作性平台，可在异构区块链之间实现安全、可编程的跨链应用。它结合了高级编程语言（HSL）和通用跨链协议（UIP），统一了智能合约执行，实验中实现了亚秒级端到端延迟和金融原子性，代码量达35,000行。

ABSTRACT

Blockchain interoperability, which allows state transitions across different blockchain networks, is critical functionality to facilitate major blockchain adoption. Existing interoperability protocols mostly focus on atomic token exchange between blockchains. However, as blockchains have been upgraded from passive distributed ledgers into programmable state machines (thanks to smart contracts), the scope of blockchain interoperability goes beyond just token exchange. In this paper, we present HyperService, the first platform that delivers interoperability and programmability across heterogeneous blockchains. HyperService is powered by two innovative designs: (i) a developer-facing programming framework that allows developers to build cross-chain applications in a unified programming model; and (ii) a secure blockchain-facing cryptography protocol that provably realizes those applications on blockchains. We implement a prototype of HyperService in about 35,000 lines of code to demonstrate its practicality. Our experiment results show that HyperService imposes reasonable latency, in order of seconds, on the end-to-end execution of cross-chain applications

研究动机与目标

• 解决除简单代币兑换外，异构区块链之间缺乏统一、安全且可编程的互操作性问题。
• 为开发者提供一种统一的编程模型，抽象区块链异构性，以支持跨链 dApp 开发。
• 设计一种安全、通用且可密码学证明的协议（UIP），以实现复杂跨链操作的原子性和正确性执行。
• 通过完全实现的原型证明其实际可行性，支持真实区块链的集成。
• 通过通用组合性（UC）证明，在被动攻击和拜占庭攻击模型下确保安全性。

提出的方法

• 提出统一状态模型（USM），一种与区块链无关的抽象，用于建模跨链应用状态。
• 开发 HSL，一种高级编程语言，用于在 USM 模型下编写跨链 dApp，编译为 HyperService 可执行文件。
• 采用通用跨链协议（UIP），一种密码学安全的协议，协调跨链交易，确保可验证的正确性和金融原子性。
• 使用混合仿真框架，在被动和拜占庭攻击模型下证明 UIP 的 UC 安全性。
• 利用默克尔证明和链下认证，确保跨链执行中的一致性并检测恶意行为。
• 通过去中心化、无信任机制，实现对具有截止时间约束和前置条件的跨链交易的安全协调。

实验结果

研究问题

• RQ1 开发者如何在统一的、与区块链无关的编程模型下编写跨链 dApp，以抽象低层次的异构性？
• RQ2 需要何种密码学协议，才能在不同区块链之间安全且原子地执行复杂跨链操作？
• RQ3 通用跨链协议是否能在真实部署中同时实现安全性和高效性？
• RQ4 当扩展到多个生产级区块链时，系统的延迟和吞吐量表现如何？
• RQ5 在通用组合性框架下，协议是否在被动和拜占庭攻击模型下均保持安全？

主要发现

• HyperService 在原型实现中，跨链 dApp 的端到端执行延迟约为一秒。
• 该平台通过无需架构重构即可持续集成额外生产级区块链，展现出良好的可扩展性。
• UIP 协议确保了金融原子性，即所有参与方要么全部成功完成交易，要么全部中止且无财务损失。
• 安全性通过通用组合性（UC）在被动和拜占庭攻击模型下形式化证明，仿真证明显示真实世界与理想世界不可区分。
• 原型实现约包含 35,000 行代码，证实了该系统的实际可行性。
• 该系统支持涉及来自多个区块链的智能合约调用及参数传递的复杂 dApp 操作，远超简单的代币兑换。