Bystack跨链技术源码揭秘 - 区块链技术 - BitMere

Bystack是由比原链团队提出的一主多侧链架构的BaaS平台。其将区块链应用分为三层架构：底层账本层，侧链扩展层，业务适配层。底层账本层为Layer1，即为目前比较成熟的采用POW共识的Bytom公链。侧链扩展层为Layer2，为多侧链层，vapor侧链即处于Layer2。

Vapor侧链采用DPOS和BBFT共识，TPS可以达到数万。此处就分析一下连接Bytom主链和Vapor侧链的跨链模型。
主侧链协同工作模型

1、技术细节
POW当前因为能源浪费而饱受诟病，而且POW本身在提高TPS的过程中遇到诸多问题，理论上可以把块变大，可以往块里面塞更多的交易。TPS是每秒出块数*块里面的交易数。但是也存在问题：小节点吃不消存储这么大的容量的内容，会慢慢变成中心化的模式，因为只有大财团和大机构才有财力去组建机房设备，成为能出块的节点。同时传输也存在问题，网络带宽是有限的，块的大小与网络传输的边际是有关的，不可能无限的去增加块的大小，网络边际上的人拿不到新块的信息，也会降低去中心化的程度，这就是为什么POW不能在提高可靠性的情况下，提高TPS的原因。
而BFT虽然去中心化较弱，但其效率和吞吐量高，也不需要大量的共识计算，非常环保节能，很符合Bystack侧链高TPS的性能需求
(1)跨链模型架构
在Bystack的主侧链协同工作模型中，包括有主链、侧链和Federation。主链为bytom，采用基于对AI 计算友好型PoW（工作量证明）算法，主要负责价值锚定，价值传输和可信存证。侧链为Vapor,采用DPOS+BBFT共识，高TPS满足垂直领域业务。主链和侧链之间的资产流通主要依靠Federation。
(2)节点类型
跨链模型中的节点主要有收集人、验证人和联邦成员。收集人监控联邦地址，收集交易后生成Claim交易进行跨链。验证人则是侧链的出块人。联邦成员由侧链的用户投票通过选举产生，负责生成新的联邦合约地址。
(3)跨链交易流程
主链到侧链
主链用户将代币发送至联邦合约地址，收集人监控联邦地址，发现跨链交易后生成Claim交易，发送至侧链
侧链到主链
侧链用户发起提现交易，销毁侧链资产。收集人监控侧链至主链交易，向主链地址发送对应数量资产。最后联邦在侧链生成一笔完成提现的操作交易。
2、代码解析
跨链代码主要处于federation文件夹下，这里就这部分代码进行一个介绍。
(1)keeper启动
整个跨链的关键在于同步主链和侧链的区块，并处理区块中的跨链交易。这部份代码主要在mainchain_keerper.go和sidechain_keerper.go两部分中，分别对应处理主链和侧链的区块。keeper在Run函数中启动。
func (m *mainchainKeeper) Run() {
      ticker := time.NewTicker(time.Duration(m.cfg.SyncSeconds) * time.Second)
      for ; true;
Run函数中首先生成一个定时的Ticker，规定每隔SyncSeconds秒同步一次区块，处理区块中的交易。
(2)主侧链同步区块
Run函数会调用syncBlock函数同步区块。
func (m *mainchainKeeper) syncBlock() (bool, error) {
      chain := &orm.Chain{Name: m.chainName}
      if err := m.db.Where(chain).First(chain).Error; err != nil {
            return false, errors.Wrap(err, "query chain")
      }
      height, err := m.node.GetBlockCount()
      //..
      if height
这个函数受限会根据chainName从数据库中取出对应的chain。然后利用GetBlockCount函数获得chain的高度。然后进行一个伪确定性的检测。
height
主要是为了判断链上的资产是否已经不可逆。这里Confirmations的值被设为10。如果不进行这个等待不可逆的过程，很可能主链资产跨链后，主链的最长链改变，导致这笔交易没有在主链被打包，而侧链却增加了相应的资产。在此之后，通过GetBlockByHeight函数获得chain的下一个区块。
nextBlockStr, txStatus, err := m.node.GetBlockByHeight(chain.BlockHeight + 1)

这里必须满足下个区块的上一个区块哈希等于当前chain中的这个头部区块哈希。这也符合区块链的定义。
if nextBlock.PreviousBlockHash.String() != chain.BlockHash {
//..
}
在此之后，通过调用tryAttachBlock函数进一步调用processBlock函数处理区块。
(3)区块处理
processBlock函数会判断区块中交易是否为跨链的deposit或者是withdraw，并分别调用对应的函数去进行处理。
func (m *mainchainKeeper) processBlock(chain *orm.Chain, block *types.Block, txStatus *bc.TransactionStatus) error {
      if err := m.processIssuing(block.Transactions); err != nil {
            return err
      }
      for i, tx := range block.Transactions {
            if m.isDepositTx(tx) {
                     if err := m.processDepositTx(chain, block, txStatus, uint64(i), tx); err != nil {
                              return err
                     }
            }
            if m.isWithdrawalTx(tx) {
                     if err := m.processWithdrawalTx(chain, block, uint64(i), tx); err != nil {
                              return err
                     }
            }
      }
      return m.processChainInfo(chain, block)
}
在这的processIssuing函数，它内部会遍历所有交易输入Input的资产类型，也就是AssetID。当这个AssetID不存在的时候，则会去在系统中创建一个对应的资产类型。每个Asset对应的数据结构如下所示。
m.assetStore.Add(&orm.Asset{
AssetID:          assetID.String(),
IssuanceProgram: hex.EncodeToString(inp.IssuanceProgram),
VMVersion:       inp.VMVersion,
RawDefinitionByte: hex.EncodeToString(inp.AssetDefinition),
})
在processBlock函数中，还会判断区块中每笔交易是否为跨链交易。主要通过isDepositTx和isWithdrawalTx函数进行判断。
func (m *mainchainKeeper) isDepositTx(tx *types.Tx) bool {
      for _, output := range tx.Outputs {
            if bytes.Equal(output.OutputCommitment.ControlProgram, m.fedProg) {
                     return true
            }
      }
      return false
}
func (m *mainchainKeeper) isWithdrawalTx(tx *types.Tx) bool {
      for _, input := range tx.Inputs {
            if bytes.Equal(input.ControlProgram(), m.fedProg) {
                     return true
            }
      }
      return false
}
看一下这两个函数，主要还是通过比较交易中的control program这个标识和mainchainKeeper这个结构体中的fedProg进行比较，如果相同则为跨链交易。fedProg在结构体中为一个字节数组。
type mainchainKeeper struct {
      cfg       *config.Chain
      db       *gorm.DB
      node    *service.Node
      chainName  string
      assetStore *database.AssetStore
      fedProg []byte
}
(4)跨链交易(主链到侧链的deposit)处理
这部分主要分为主链到侧链的deposit和侧链到主链的withdraw。先看比较复杂的主链到侧链的deposit这部分代码的处理。
func (m *mainchainKeeper) processDepositTx(chain *orm.Chain, block *types.Block, txStatus *bc.TransactionStatus, txIndex uint64, tx *types.Tx) error {
      //..
      rawTx, err := tx.MarshalText()
      if err != nil {
            return err
      }
      ormTx := &orm.CrossTransaction{
            //..
      }
      if err := m.db.Create(ormTx).Error; err != nil {
            return errors.Wrap(err, fmt.Sprintf("create mainchain DepositTx %s", tx.ID.String()))
      }
      statusFail := txStatus.VerifyStatus[txIndex].StatusFail
      crossChainInputs, err := m.getCrossChainReqs(ormTx.ID, tx, statusFail)
      if err != nil {
            return err
      }
      for _, input := range crossChainInputs {
            if err := m.db.Create(input).Error; err != nil {
                     return errors.Wrap(err, fmt.Sprintf("create DepositFromMainchain input: txid(%s), pos(%d)", tx.ID.String(), input.SourcePos))
            }
      }
      return nil
}
这里它创建了一个跨链交易orm。具体的结构如下。可以看到，这里它的结构体中包括有source和dest的字段。
ormTx := &orm.CrossTransaction{
            ChainID:             chain.ID,
            SourceBlockHeight: block.Height,
            SourceBlockTimestamp: block.Timestamp,
            SourceBlockHash:    blockHash.String(),
            SourceTxIndex:       txIndex,
            SourceMuxID:       muxID.String(),
            SourceTxHash:       tx.ID.String(),
            SourceRawTransaction: string(rawTx),
            DestBlockHeight:    sql.NullInt64{Valid: false},
            DestBlockTimestamp: sql.NullInt64{Valid: false},
            DestBlockHash:       sql.NullString{Valid: false},
            DestTxIndex:       sql.NullInt64{Valid: false},
            DestTxHash:          sql.NullString{Valid: false},
            Status:             common.CrossTxPendingStatus,
      }
创建这笔跨链交易后，它会将交易存入数据库中。
if err := m.db.Create(ormTx).Error; err != nil {
            return errors.Wrap(err, fmt.Sprintf("create mainchain DepositTx %s", tx.ID.String()))
}
在此之后，这里会调用getCrossChainReqs。这个函数内部较为复杂，主要作用就是遍历交易的输出，返回一个跨链交易的请求数组。具体看下这个函数。
func (m *mainchainKeeper) getCrossChainReqs(crossTransactionID uint64, tx *types.Tx, statusFail bool) ([]*orm.CrossTransactionReq, error) {
      //..
      switch {
      case segwit.IsP2WPKHScript(prog):
            //..
      case segwit.IsP2WSHScript(prog):
            //..
      }
      reqs := []*orm.CrossTransactionReq{}
      for i, rawOutput := range tx.Outputs {
            //..
            req := &orm.CrossTransactionReq{
                     //..
            }
            reqs = append(reqs, req)
      }
      return reqs, nil
}
很显然，这个地方的交易类型有pay to public key hash 和 pay to script hash这两种。这里会根据不同的交易类型进行一个地址的获取。
switch {
      case segwit.IsP2WPKHScript(prog):
            if pubHash, err := segwit.GetHashFromStandardProg(prog); err == nil {
                     fromAddress = wallet.BuildP2PKHAddress(pubHash, &vaporConsensus.MainNetParams)
                     toAddress = wallet.BuildP2PKHAddress(pubHash, &vaporConsensus.VaporNetParams)
            }
      case segwit.IsP2WSHScript(prog):
            if scriptHash, err := segwit.GetHashFromStandardProg(prog); err == nil {
                     fromAddress = wallet.BuildP2SHAddress(scriptHash, &vaporConsensus.MainNetParams)
                     toAddress = wallet.BuildP2SHAddress(scriptHash, &vaporConsensus.VaporNetParams)
            }
      }
在此之后，函数会遍历所有交易的输出，然后创建跨链交易请求，具体的结构如下。
req := &orm.CrossTransactionReq{
CrossTransactionID: crossTransactionID,
SourcePos:       uint64(i),
AssetID:          asset.ID,
AssetAmount:       rawOutput.OutputCommitment.AssetAmount.Amount,
Script:          script,
FromAddress:       fromAddress,
ToAddress:       toAddress,
}
创建完所有的跨链交易请求后，返回到processDepositTx中一个crossChainInputs数组中，并存入db。
for _, input := range crossChainInputs {
            if err := m.db.Create(input).Error; err != nil {
                     return errors.Wrap(err, fmt.Sprintf("create DepositFromMainchain input: txid(%s), pos(%d)", tx.ID.String(), input.SourcePos))
            }
}
到这里，对主链到侧链的deposit已经处理完毕。
(5)跨链交易(侧链到主链的withdraw)交易处理
这部分比较复杂的逻辑主要在sidechain_keeper.go中的processWithdrawalTx函数中。这部分逻辑和上面主链到侧链的deposit逻辑类似。同样是创建了orm.crossTransaction结构体，唯一的改变就是交易的souce和dest相反。这里就不作具体描述了。
3、跨链优缺点
优点
(1) 跨链模型、代码较为完整。当前有很多项目使用跨链技术，但是真正实现跨链的寥寥无几。
(2) 可以根据不同需求实现侧链，满足多种场景
缺点
(1) 跨链速度较慢，需等待10个区块确认，这在目前Bytom网络上所需时间为30分钟左右
(2) 相较于comos、polkadot等项目，开发者要开发侧链接入主网成本较大
(3) 只支持资产跨链，不支持跨链智能合约调用
4、跨链模型平行对比Cosmos
可扩展性
bystack的主测链协同工作模型依靠Federation，未形成通用协议。其他开发者想要接入其跨链网络难度较大。Cosmos采用ibc协议，可扩展性较强。
代码开发进度
vapor侧链已经能够实现跨链。Cosmos目前暂无成熟跨链项目出现，ibc协议处于最终开发阶段。
跨链模型
vapor为主侧链模型，Cosmos为Hub-Zone的中继链模型。
5、参考建议
侧链使用bbft共识，非POW的情况下，无需等待10个交易确认，增快跨链速度。