A Lightweight and Efficiently Verified Assets Cross-Chain Transfer Method for Multi-Level Blockchains Architecture
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摘要:
多层级区块链架构是一种将多个区块链组织成树形的架构，其中每层的区块链可以通过跨链技术控制和管理与其连接的下一层区块链的部分功能和链上数据. 然而，这种架构下的资产跨链转移是一个多跳跨链问题，证明跨链交易成功执行的证据需要沿源链到目标链路径进行多跳的传递与验证，导致跨链事务的执行时延较长、证据传输开销与验证开销较大的问题. 为此，提出一种面向多层级区块链架构的轻量级高效验证资产跨链转移方法，该方法引入顶层见证链连接各多层级架构，并在各链上部署见证合约，使跨链事务中的源链和目标链的父链作为见证链驱动跨链事务的完成. 此外，还提出一种基于Verkle树的跨链事务验证证据，方法将区块内需要处理的跨链事务信息组织在采用KZG（Kate-Zaverucha-Goldberg）多项式承诺的Verkle树中，并将KZG承诺和证明数据加入证据中，通过验证证据证明跨链事务的执行状态，从而优化证据的传输和验证. 理论分析和对方法原型的实验证明，方法降低了跨链事务的执行时延，并且相比采用简单支付验证的方案在不增加证据传输开销的基础上降低了证据验证开销，具有轻量级和高效验证的特点.
Abstract:The multi-level blockchains architecture is an architecture that organizes multiple blockchains into a tree, where each blockchain can control and manage part of the functions and on-chain data of the next level of the blockchains to which it is connected by cross-chain technology. However, the cross-chain transfer of assets under this architecture is a multi-hop cross-chain problem, where the evidence of successful execution of a cross-chain transaction needs to be transmitted and verified in multiple hops on the path from the source chain to the target chain, resulting in longer execution latency of the cross-chain transaction, higher evidence transmission overhead and verification overhead. Therefore, this paper proposes a lightweight and efficiently verified assets cross-chain transfer method for multi-level blockchains architecture, which introduces a top-level witness chain connecting each multi-level architecture and deploys a witness contract on each chain, so that the parent chains of the source and target chains in a cross-chain transaction act as witness chains to drive the completion of the cross-chain transaction. This paper also introduces a cross-chain transaction verification evidence based on Verkle tree, the method organizes the cross-chain transaction information to be processed in the same block in a Verkle tree employing KZG polynomial commitment, and adds the KZG commitment and the proof data into the evidence, and proves the execution state of the cross-chain transaction by verifying the evidence, so as to optimize the transmission and verification of the evidence. Theoretical analysis and experiments on the prototype of the method prove that the method reduces the execution latency of the cross-chain transaction and reduces the evidence verification overhead compared to the scheme using SPV without increasing the evidence transmission overhead, which is lightweight and efficiently verified.
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Keywords:
- multi-level blockchains architecture /
- cross-chain /
- witness chain /
- Verkle tree /
- KZG commitment
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自比特币[1]诞生以来，区块链的发展十分迅速. 由于具有去中心化、不可篡改、可追溯等特性，区块链被应用到商业[2-3]、政务[4-5]、医疗[6-7]、供应链[8-9]等领域. 随着区块链的应用范围变得广泛，人们对独立区块链之间相互协作，构建更广泛价值互联网的需求逐渐增强，但受限于区块链的“价值孤岛”效应[10]，这一需求长期无法得到满足. 为了解决这一问题，跨链技术开始得到关注和研究.
跨链技术，或链间互操作技术，是一种通过某种机制确认和验证跨链数据的真实性和有效性，在多个区块链之间实现信息和价值流通的技术. 利用跨链技术，一些行业中出现了如图1所示的多层级区块链架构，在这种架构中，多个许可链被组织成树形结构，通过信使节点进行跨链信息的传输. 其中的每层区块链可以通过跨链技术控制和管理与其连接的下一层区块链的部分功能和链上数据[11]，适用于区块链使用方具有不同作用域的场景，例如行政区（省-市-区）、产业链上下游等.
在这种架构下，不同区块链之间存在资产跨链转移，实现价值进一步流通的需求. 当源链和目标链间发生资产跨链转移时，源链上的原资产首先需要锁定，然后将证明原资产锁定交易成功执行的“证据”发送到目标链，目标链对“证据”验证成功后，铸造新资产并将证明新资产铸造交易成功执行的“证据”发送回源链进行验证，验证成功后，锁定的原资产将被冻结. “证据”是一个特殊的数据结构，包含能够证明交易在链上发生的证明数据.
然而，在多层级架构下，由于各链之间体现出按作用域隔离、层级化明显等特性，采用将源链与目标链直接相连的跨链方案会因较高的适配复杂度造成较差的可扩展性，而采用将各链连接至中继链的方案则会破坏原有的层级关系. 因此，多层级架构下的资产跨链转移是一个多跳跨链问题，即如果源链和目标链并未直接连接，那么证据就需要在源链和目标链之间的路径上进行多跳传递与验证. 在一般多跳跨链模式下，例如，在一个以国家-省-市为背景的多层级区块链架构下，假设市1链与市2链之间的路径为市1链—省1链—全国链—省2链—市2链，则当市1链的原资产（如户口、医保卡等）需要跨链转移到市2链时，原资产需要先在市1链上锁定，并由信使节点将原资产已锁定的证据a传递到省1链，省1链对证据a进行验证并生成证据b，并由信使节点传递到全国链并进行验证，以此类推，直到市2链收到证据d并进行验证；验证成功后，市2链铸造新资产，该交易的证据将以类似的方式返回至市1链，由市1链验证并将原资产冻结. 在上述过程中，市1链和市2链上交易的成功执行由路径上的所有区块链间接背书.
然而，上述的一般多跳跨链模式虽然可以实现多层级区块链架构下的资产跨链转移，但是却面临着以下2个问题：
1）跨链事务的执行时延较长
在多层级架构资产跨链转移场景下，我们定义一个跨链事务由所有在源链、目标链和路径上的链发生的资产锁定和铸造、证据验证等跨链交易组成. 在一般多跳跨链模式下，跨链事务中的各交易是在各链上串行执行的，即证据需要从源链传递到目标链，再从目标链传递回到源链. 假设源链与目标链之间相隔hop个区块链，那么跨链事务的执行时延等于交易在hop+2个区块链上成功执行2次（目标链只需执行1次）的时间加上证据在链间传递2(hop+1)次的时间，跨链事务的整体执行时延较长.
2）证据的传输开销和验证开销较大
现有方案对证据的验证多采用基于简单支付验证（simplified payment verification，SPV）的方式. 首先，验证链上保存被验证链的验证规则（如被验证链背书节点的公钥、连续的区块头等）. 当被验证链收到证据时，验证链首先根据验证规则验证证据中Merkle根哈希的正确性，再通过对跨链交易进行Merkle证明来验证跨链交易的有效性. 在采用Merkle树的SPV方案中，Merkle证明的空间复杂度为O(lb n)，验证复杂度为O(lb n). 高空间复杂度和验证复杂度使得当跨链交易增多时，链间传递的证据数量增多，每个证据的体积增大，带来较大的链间传输开销，同时验证链上的SPV验证次数和哈希计算次数也增多，需要消耗更多的链上计算资源，带来较大的验证开销.
针对上述2个问题，本文提出了一种面向多层级区块链的轻量级高效验证资产跨链转移方法. 具体而言，本文提出的方法在架构方面引入了顶层见证链连接各多层级架构的树根区块链，并充分利用树形结构的特点，将上层父区块链作为下层子区块链的见证链. 各链上部署见证合约SCw负责跨链交易的发起、见证和验证等操作. 见证链的设置使得跨链事务可从源链和目标链同时开始执行，可以降低跨链事务的执行时延. 进一步地，本文提出了一种基于采用KZG（Kate-Zaverucha-Goldberg）多项式承诺[12]的Verkle树[13]的跨链事务验证证据，对区块结构进行了改造，将区块内需要处理的跨链事务信息组织为采用KZG多项式承诺的Verkle树，并将Verkle树根的承诺保存到区块头. 利用Verkle树对跨链事务信息进行多项式承诺，并将生成的证明数据放入证据中进行传递和验证. 证据的传输开销不会增大甚至更小，体现了本文方法的轻量级特性，证据验证所消耗的计算资源更少，验证开销更小，体现了本文方法的高效验证特性.
本文的主要贡献包括3个方面：
1）提出了一种面向多层级区块链的轻量级高效验证资产跨链转移方法. 方法在多层级区块链架构顶层引入顶层见证链，并在各链上部署见证合约SCw，使源链和目标链的父链作为见证链见证跨链事务的执行. 见证链的设置使得跨链事务可从源链和目标链同时开始执行，降低跨链事务的执行时延.
2）提出了一种基于Verkle树的跨链事务验证证据. 本文将区块内需要处理的跨链事务信息组织为采用KZG承诺的Verkle树保存在区块内. 对跨链事务信息进行多项式承诺并将证明数据加入证据中，通过证据的生成和验证，实现在不增加证据传输开销的基础上降低证据验证所需的计算资源开销.
3）实现了方法的原型，并通过理论分析和实验验证，证明了本文方法相比于SPV方案在跨链事务的执行时延、证据传输开销和验证开销方面有较大优势，具有轻量级和高效验证的特性.
1. 相关工作
目前，中继链是应用最为广泛的跨链方案. 中继链通过提供统一的跨链数据传递和验证协议连接各条区块链，并由负责传递数据的节点收集跨链数据并在链间转发，然后由各条链自行验证跨链数据的正确性，具有更高的去中心化程度.
Cosmos[14]是一个由称为Hub的中继链和许多独立并行的称为Zone的区块链组成的去中心化网络. Hub与Zone之间通过区块链间通信协议IBC进行交互. IBC协议要求需要直接跨链的2条链上互相运行对方的轻客户端，轻客户端通过验证区块头和跨链数据的 Merkle 证明来验证跨链数据的合法性. 通过“Zone—Hub—Zone”实现Zone之间的间接跨链.
Polkadot[15]是一个可扩展的异构多链跨链平台，提供了1条中继链来连接独立的平行链，用于平行链间的跨链通信. Polkadot网络由4种基本角色维护，分别为：收集人、验证人、提名人和渔民. 首先，跨链交易被加入到源平行链中的出口队列，被收集人执行并打包成候选区块交给验证人，验证人负责验证平行链候选区块，并在中继链上持久化候选区块，然后，跨链交易被加入到目的平行链的入口队列交由目的平行链执行. 其中，候选区块的有效性证明由区块内的交易的状态读写集的SPV证明组成.
BitXHub[11]是一个基于中继方案的许可链跨链技术平台，由中继链通过跨链网关连接各应用链. 中继链主要用于跨链交易的可信验证与可靠路由，应用链负责具体的业务逻辑. BitXHub设计了链间消息传输协议IBTP，由跨链网关收集跨链数据并处理为特定的结构，然后传递到目标链上进行验证. BitXHub同构应用链将跨链交易组织成单独的Merkle树，并在IBTP中保存跨链交易的Merkle路径，由目标链对跨链交易进行Merkle证明.
PieBridge[16]是一种按需可扩展的跨链架构，其基于“按需建域”的理念，将有交互需求的区块链划分在1个中继域内，各中继域基于域内中继链实现域内区块链的跨链互联. 域内的中继链可按需平行复制扩展.PieBridge实现了基于SPV的跨链数据验证方法，通过区块头链的同步保证区块头的可信性，通过状态树验证保证指定状态数据在有效区块头中.
Cosmos，Polkadot，BitXHub，PieBridge通过将具有跨链需求的区块链统一连接到中继链实现跨链. 在多层级区块链架构下，将所有存在资产跨链转移需求的区块链连接至同一条中继链会损害多层级架构的层级性，破坏原有的层级关系，导致资产违规跨链等问题. 在一些对隐私性、安全性和隔离性要求较高的情境下，这种模式的实现具有一定门槛. 此外，当区块链数量增多时，这种模式使得中继链成为整个系统的性能瓶颈. 虽然几种方案可以通过构建中继链网络或中继链平行复制提高性能，但这无疑会带来新的中继链连接适配和维护成本.
见证链又称见证网络，来自文献[17]提出的AC3WN协议，目的是解决基于哈希时间锁定的原子交换协议[18]潜在的违反跨链事务原子性问题. AC3WN在需要跨链的区块链间引入额外的见证链，由跨链用户在见证链上部署见证合约SCw注册跨链事务，并向SCw提供连续的区块头和交易的Merkle证明作为跨链交易发生的证据，SCw通过验证证据改变跨链事务的状态，再由用户向源链和目标链提供证据证明SCw中的跨链事务状态变动，进而驱动跨链事务完成或中止. 文献[19]在AC3WN的基础上提出了EAC3协议，将攻击者通过秘密操纵链分叉获取资产的可能性控制在安全水平. 本文利用多层级区块链架构树形结构的特点，将各链的父链作为见证链驱动跨链事务的执行，在保证不改变多层级特性的同时，无需引入额外的见证链维护成本. 本文还扩展了SCw的部署范围和功能，同时修改了证据内容和验证方式，以降低证据的传输开销和验证开销.
2. 技术背景
1）Verkle树
Verkle树[13]是一种将Merkle树中的哈希函数替换为向量承诺的结构，用于减小Merkle证明的体积以节省带宽. 在实践中，Verkle树多采用类似MPT（Merkle Patricia trie）的结构和简单高效的多项式承诺充当向量承诺[20]. 多项式承诺可以对1个多项式进行运算产生1个承诺C，并允许为该多项式上的任意1点产生1个证明π，通过对C和π进行运算可以验证该点是否为多项式上的1个点.
如图2所示，1棵内部节点宽度为16的Verkle树由3种节点组成：叶子节点、内部节点和空节点. 其中，叶子节点保存了数据的Key和Value；内部节点连接具有共同前缀Prefix的子节点，并保存子节点的共同前缀，其值为由各子节点通过拉格朗日插值法得到的多项式的承诺. 对1棵Verkle树进行承诺的过程为从最底层开始对内部节点承诺，再逐层向上对其他内部节点承诺，直至对根节点承诺，在图2中，各内部节点的多项式承诺生成顺序为C0—{C1,C2}—C3. 根节点Root是1个特殊的内部节点，保存的承诺C3为整棵Verkle树的承诺. 当需要证明叶子节点Leaf2在Verkle树中时，需要对从Leaf2到Root的路径上的所有节点进行多项式承诺的证明，即首先证明Leaf2是C0承诺的多项式上的点，再证明Inner0是C1承诺的多项式上的点，再证明Inner1是C3承诺的多项式上的点. 有些多项式承诺方案还支持将路径上的所有证明进行合并，只需要1次验证就能证明叶子节点存在于Verkle树中，但本文并未实现这一特性.
2）KZG承诺
KZG承诺[12]是一种多项式承诺方案，该方案对提供的多项式计算出1个承诺C，然后允许在多项式上的任意1点生成1个证明π，其中C和π都是椭圆曲线上的点. 通过椭圆曲线双线性配对计算在不揭示多项式的情况下证明多项式在特定位置的值与指定的值一致. 假设G1和G2分别为2个阶为素数p的循环群，其生成元分别为g1和g2，且满足双线性配对e: G1×G2→GT. 对于任意的x∈Fp定义[x]1=xg1∈G1，[x]2=xg2∈G2. 假设证明者拥有1个需要承诺的n阶多项式p(x)，验证者需要验证点(z，y)是否满足p(z) = y，则通过KZG承诺方案实现验证的步骤如下：
① 可信设置. 生成1个随机秘密值τ，并计算[τi]1和[τ]2，其中i = 0，1，…，n，将[τi]1和[τ]2作为公共参考字符串并丢弃τ. 任何人无法通过[τi]1和[τ]2破解出τ的值. 可信设置过程通常通过安全多方计算实现.
② 计算承诺. 证明者计算多项式p(x)的承诺C并公开，如式（1）所示：
C=[p(τ)]1=[n∑i=0piτi]1=n∑i=0pi[τi]1. (1) 由式（1）可见，C是p(x)在τ处的值映射到G1上的点.
③ 生成证明. 根据验证者提供的z，证明者计算p(z)，则多项式p(x)−p(z)在x=z达到0点，于是p(x)−p(z)一定能被x−z整除. 证明者计算商多项式q(x)=p(x)−p(z)x−z，并根据式（2）计算证明π发送给验证者：
π=[q(τ)]1. (2) 由式(2)可见，π是q(x)在τ处的值映射到G1上的点.
④ 验证. 验证者得到C与π后，验证式（3）是否成立：
e(π,[τ−z]2)=e(C−[y]1,g2)， (3) 其中[τ−z]2=[τ]2−[z]2=[τ]2−zg2，[y]1=yg1. 如果等式成立，则说明p(z)=y，验证成功.
3. 方法概述
本文提出了一种面向多层级区块链的轻量级高效验证资产跨链转移方法，本节将首先介绍方法的整体设计思路，包括方法的整体架构和协议栈，然后介绍方法的设计细节和资产跨链转移流程.
3.1 整体架构和协议栈
本文方法引入顶层见证链连接各多层级架构，并充分利用树形结构的特点，将上层父区块链作为下层子区块链的见证链，如图3所示，方法的区块链架构由顶层见证链、父链、子链和信使节点组成.
1）顶层见证链. 顶层见证链是一条额外引入的区块链，连接了多个多层级架构的树根区块链，作为各架构之间跨链的桥梁以及树根区块链的见证链. 顶层见证链上不设置跨链资产，无法作为资产跨链转移的源链或目标链. 当需要连接的架构增多，顶层见证链达到性能瓶颈时，可以进行平行扩展，增加顶层见证链的数量组成顶层见证链网络，并将一部分多层级架构重新连接到新顶层见证链上，实现负载均衡.
2）父链和子链. 父链和子链是一个相对的概念，对于2个直接相连的区块链，上层链是下层链的父链，下层链是上层链的子链. 例如在图3中，①链是⑥链的子链，同时也是②链的父链. 父链将作为子链的见证链，驱动跨链事务完成或中止.
3）信使节点. 信使节点是连接父链和子链的信使节点，负责在父链和子链之间收集跨链数据，构造和传播证据. 根据需求不同，信使节点可以设计为单独的节点，也可以是运行共识算法和激励机制的节点集群，关于信使节点的具体实施细节不在本文的讨论范围之内.
正如引言所述，多层级架构下的资产跨链转移问题可以转化为多跳跨链问题. 具体而言，源链和目标链可能处于同一层级（例如图3中的②链与③链），也可能处于不同层级（例如图3中的②链与④链）. 由于见证链的设置，跨链事务在源链和目标链上的执行状态需要经过二者之间路径上的其他区块链路由到彼此的见证链，这一过程与源链和目标链的层级关系无关，只与源链和目标链之间路径上相隔区块链的个数（即跳数）有关，根据跳数的不同，跨链事务可以分为单跳跨链事务和多跳跨链事务，详细内容将在3.2.2节介绍. 考虑到部分应用场景下对资产的跨链权限有特殊要求，例如要求资产只能在同层级区块链间转移，方法可以对跨链事务的源链和目标链进行约束，本文默认资产可以跨层级转移.
本文方法的协议栈如图4所示，一个跨链事务将从源链和目标链同时开始执行直至本链的见证链（图4路径①），再从本链见证链执行至对方链见证链（图4路径②），最后从本链见证链开始执行直至本链结束（图4路径③）. 在源链和目标链中，资产合约层主要负责控制资产合约SCa的状态变化，目标链上的资产合约层还负责SCa的铸造（合约部署）；见证合约层指在每条链上部署的SCw，负责由资产合约层调用发起跨链事务，同时对信使节点发来的证据进行验证，并调用SCa进行状态变更；跨链账本层则负责将需要处理的跨链事务记录到Verkle树的叶子节点中，并为该跨链事务提供相应的多项式承诺和证明数据；SDK负责为信使节点提供获取某个跨链事务的证明数据的接口.
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图 4 面向多层级区块链架构的资产跨链转移方法协议栈Figure 4. The protocol stack of the assets cross-chain transfer method for multi-level blockchains architecture信使节点会持续监听连接的父链和子链，当监听到相关的由SCw触发的跨链事件时，信使节点会调用SCw所在链的SDK获得跨链事务的证明数据，并将跨链事务信息及其证明构造成证据传递给下一条链的SCw处理. 每个信使节点都维护着1个分布式哈希表ID-DHT，保存了以其所连接的父链为根节点的子树中的所有链ID. 当监听到跨链事件时，信使节点将判断相关跨链事务的源链ID/目标链ID是否在ID-DHT内，以及是否需要由自己处理. 当1条新的子链通过信使节点与父链建立连接时，信使节点会将链ID更新到ID-DHT中，然后将包括链ID在内的子链信息传输到父链SCw. 之后，父链与更上层的父链之间的信使节点会将链ID更新到ID-DHT中，以此类推，直到顶层见证链与第1层区块链之间的信使节点将链ID更新到ID-DHT中.
见证链的见证合约层负责对跨链事务进行注册，同时根据收到的来自不同链的证据的类型和数量，对跨链事务状态进行相应的变更，从而驱动跨链事务完成或中止. 图4中第L−1层的源链见证链和目标链见证链之间的其他链（第L−2层到第L−p层的链）和信使节点将作为2条见证链之间的桥梁，将跨链事务在源链/目标链上的执行状态路由到对方链见证链.
需要注意的是，图4中源链和目标链虽然同在第L层，但具有不同的父链作为见证链，若源链和目标链父链相同，则共同父链将作为见证链，具体内容将在3.3.1节介绍.
3.2 设计细节
3.2.1 用户与跨链资产SCa
用户分为普通用户、资产发行用户和管理员用户. 其中，普通用户和资产发行用户在源链和目标链上均有账户. 普通用户即资产的拥有者，有将自己拥有的资产转移至其他链的需求；资产发行用户即跨链资产的发行者，是资产合约的铸造者. 管理员用户由权威机构设立，主要负责SCw的审核和注册新资产发行用户及资产.
每个跨链资产SCa都是一个合约，由资产发行用户发行，由普通用户所有，在SCw中注册，并具备内部调用SCw发起跨链事务的功能. 只有当普通用户和资产发行用户都同意发起资产转移时（都正确调用了SCa中的cross_chain_transfer()时），SCa才会调用SCw发起跨链事务. SCa共有3种状态：激活（A）、未激活（NA）和锁定（L），其状态变化规则如图5所示，具体规则将在3.3节介绍.
3.2.2 跨链事务
在本文方法中，跨链事务由所有在源链、目标链和路径上的链上发生的相关交易组成，例如资产锁定和铸造、证据验证等. 具体而言，跨链事务由源链上的资产锁定与冻结交易、目标链上的资产铸造与确认交易、见证链上的跨链事务注册和状态变更交易和路径上其他链的证据验证交易组成. 正如在3.1节中提到的多跳跨链问题，本文根据源链与目标链之间的跳数，将跨链事务分为单跳跨链事务和多跳跨链事务. 例如，如图3所示，一个②链与③链之间的跨链事务中间只相隔①链1跳，因此是一个单跳跨链事务；一个②链与⑤链之间的跨链事务中间相隔①链—⑥链—④链3跳，因此是一个多跳跨链事务. 对于源链与目标链分别为子链和父链的跨链事务，例如②链与①链之间的跨链事务，由于②链的见证链为①链，①链的见证链为⑥链，源链与目标链间相隔①链与⑥链2跳，因此该跨链事务是一个跳数为2的多跳跨链事务.
每个跨链事务都有唯一的ID，并需要在源链见证链和目标链见证链的SCw中注册. 如图3所示，②链与③链之间的单跳跨链事务将在二者的共同父链①链的SCw中注册，而②链与⑤链之间的多跳跨链事务将在二者各自的父链①链和④链的SCw中注册. 此外，每个由SCw验证过证据，需要交由下一个区块链处理的跨链事务信息将被单独保存在区块中并组织为1棵Verkle树，相关内容将在第4节介绍.
如图6所示，每个在SCw中注册的跨链事务都有一个状态，对于单跳跨链事务，状态共有发布（P）、成功（S）和失败（F） 3类，而多跳跨链事务的状态还增加了撤回中（W）. 2种跨链事务的状态变化规则不同，具体规则将在3.3节介绍.
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图 6 2种跨链事务的状态变化规则Figure 6. The state change rules for two types of cross-chain transaction为了驱动跨链事务状态的变更，跨链事务在源链和目标链上的执行状态（由证据中的跨链事务信息表示）需要路由到对方链的见证链，这一过程通过路径上所有区块链的SCw和信使节点完成. 信使节点监听到SCw触发相关跨链事件时，判断链ID是否在ID-DHT内，若链ID在ID-DHT内，则进行证据的构造，并传递给相应链；否则直接忽略跨链事件. 在一个跨链事务执行的过程中，上述路由过程将重复多次.
3.2.3 见证合约SCw
见证合约SCw部署在架构中所有的区块链上，是整个方法的核心组件之一，具有新链注册、新资产发行用户和资产注册、信使节点注册、跨链事务发起、证据验证、跨链事务见证、跨链事务中止、资产状态变更等功能.
1）新链注册. 一个新链若要加入架构中实现资产跨链转移，必须部署SCw并由管理员用户审核，以生成唯一链ID供信使节点进行证据路由. 同时由新链和其父链的管理员用户将对方链的共识验证信息保存到SCw中（例如共识节点的公钥）.
2）新资产发行用户和资产注册. 一个资产发行用户若要获得发行跨链资产的权利，必须先在SCw中注册身份并由管理员用户审核. 同样，资产发行用户发行的每一个新SCa都必须向SCw注册并由管理员用户审核，以获得内部调用SCw发起跨链事务的权利.
3）信使节点注册. 当首次部署以及后续有新的信使节点加入时，SCw必须记录各信使节点的基本信息，例如共识验证规则、公钥证书等，用于验证信使节点所提交的证据的合法性.
4）跨链事务发起. 跨链事务发起指跨链资产内部调用本链上的SCw，由SCw生成跨链事务ID并记录源链ID、目标链ID、资产合约地址等信息，然后通过触发事件InitTx将跨链事务ID和对方链ID提交给信使节点处理的过程.
5）证据验证. SCw接收信使节点发送的证据，并验证证据的合法性. 若SCw是跨链事务的见证链，则进行跨链事务见证；若SCw是跨链事务的源链/目标链，则进行资产状态变更；若SCw是跨链事务路由路径上的链，则触发RouteTx或FailRouteTx事件，促使信使节点将跨链事务路由到下一区块链处理.
6）跨链事务见证. 跨链事务见证是SCw的核心功能，包括2个部分：跨链事务注册和跨链事务状态变更. 其中，跨链事务注册指SCw第1次收到由子链作为源链/目标链的跨链事务的合法证据时，将跨链事务信息记录下来的过程. 跨链事务状态变更指SCw通过验证证据，改变记录的跨链事务状态，决定完成或中止跨链事务，触发FinishTx或FailTx事件的过程.
7）跨链事务中止. 每个跨链事务都有一个超时时间，若跨链事务在超时时间内仍未完成，用户可在源链调用SCw发起跨链事务中止请求，此时会触发AbortTx事件，信使节点将构造中止跨链事务的证据，并传递给见证链SCw处理.
8）资产状态变更. 当SCw收到跨链事务完成或中止的证据时，调用跨链事务所涉及的SCa进行资产状态的变更.
表1总结了SCw可能触发的事件类型、触发功能、参数和含义. 这些事件将由相连的信使节点监听并处理. 其中，txid表示跨链事务ID，cid表示链ID.
表 1 SCw中的事件类型Table 1. Types of Events in SCw事件类型 触发功能 事件参数 含义 InitTx 跨链事务发起 txid，cid 发起跨链事务txid且需要路由到链cid. FinishTx 跨链事务见证 txid 跨链事务txid已完成. RouteTx 证据验证 txid，cid 跨链事务txid需要被路由到链cid. AbortTx 跨链事务中止 txid，cid 用户请求中止跨链事务txid且需要路由到链cid. FailTx 跨链事务见证 txid 跨链事务txid已中止. FailRouteTx 证据验证 txid，cid 需要中止的跨链事务txid需要被路由到链cid. 3.3 资产跨链转移
3.3.1 跨链事务的结构与状态变化规则
图7展示了2种跨链事务执行时的结构，以及跨链资产和跨链事务的状态变化规则.
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图 7 跨链事务的结构与状态变化规则Figure 7. The structure and state change rules for cross-chain transactions在单跳跨链事务中，源链和目标链具有共同的父链作为共享见证链. 当跨链事务发起时，源链上的原资产SCa将被锁定，状态将从A转变为L，此时SCa将无法正常使用. 与此同时目标链上由资产发行方铸造新资产SC′a，初始状态为NA.
当跨链事务在见证链的SCw注册时，初始状态为P. 注册后若SCw收到第2个合法证据，则跨链事务状态将由P转变为S，此后信使节点构造证据提交到源链/目标链SCw证明跨链事务完成，由源链SCw将SCa冻结，状态由L改为NA，由目标链SCw将SC′a激活，状态由NA改为A.
若跨链事务在超时时间内仍未完成执行，用户可在源链调用SCw发起跨链事务中止请求，此时信使节点将构建证据提交到见证链SCw，若跨链事务状态为P，则被变更为F，否则将保留原状态. 若跨链事务状态被转变为F，则信使节点构造证据提交到源链/目标链SCw证明跨链事务中止，由源链SCw将SCa的锁定撤回，状态由L改为A，SC′a状态则仍为NA.
多跳跨链事务流程与单跳跨链事务相似，但有几处不同. 首先，见证链为源链和目标链各自的父链，此时跨链事务将在源链见证链SCw1和目标链见证链SCw2中注册. 其次，2个见证链之间存在由源链到目标链间路径上的其他链（也可能不存在，即见证链1和见证链2在顶层见证链网络中）. 此外，SCw1中注册的跨链事务状态出现了W，该状态是用户发起跨链事务中止请求时的中间状态. 当用户发起跨链事务中止请求后，SCw1中的跨链事务状态将由P变为W，然后这一请求将被路由至SCw2，若SCw2收到中止请求时，跨链事务状态仍为P，则将其变更为F，若SCw2尚未注册跨链事务，则直接注册跨链事务且将状态设置为F. 同时这一变更的证据将被路由回SCw1，SCw1将变更跨链事务状态为F. 若SCw2收到中止请求时，跨链事务状态为S或F，则跨链事务中止的请求将被忽略. 此后当SCw1收到跨链事务完成或中止的证据时，将跨链事务状态从W变更为S或F.
3.3.2 跨链事务原子性分析
跨链事务执行中的某一步骤可能会出现异常，导致违反跨链事务的原子性. 在本文场景下，跨链事务的原子性被定义为在跨链事务执行结束后，SCa和SC′a不会同时处于A状态.
一方面，恶意的攻击者可能会对SCa，SC′a，SCw和信使节点进行攻击尝试使SCa和SC′a同时处于A状态，进而同时持有2份有效的资产而非法获益.
1）对SCa，SC′a，SCw的攻击
在单跳跨链事务中，SCa和SC′a的状态变更由见证链SCw中记录的跨链事务状态决定. 对于一个处于L状态的SCa和处于NA状态的SC′a，只有在SCw接收到正确的证据后才会被置为状态A，而SCw只能通过验证信使节点传递的证据改变跨链事务的状态，因此攻击者无法通过直接操控SCa，SC′a，SCw违反原子性. 此外，假如SCw在跨链事务P状态时同时收到了跨链事务完成和中止的证据，由于跨链事务状态只能从P变为S或从P变为F，2个改变跨链事务状态的交易不能出现在同一个见证链区块中，见证链矿工必须从二者中选择1个. 因此，这2个状态更改必须分别记录在2个区块中. 但在采用PBFT等确定性共识算法的许可链中，由于不存在区块链分叉的情况，2个区块的出现必须有先后之分. 这说明跨链事务状态将从S转变为F或从F转变为S，然而，这与跨链事务状态变化规则矛盾，因此，不存在跨链事务同时出现S状态和F状态的情况. 即便发生这种状况，由于源链侧的信使节点和目标链侧的信使节点同时监听跨链事务状态变动的事件，双方信使节点只会对第1个事件进行响应，因此不会存在SCa和SCa′的状态同时为A的情况.
在多跳跨链事务中，SCa和SC′a的状态分别由见证链SCw1与SCw2中的跨链事务状态决定. 而SCw1与SCw2中的跨链事务最终状态不一致的情况出现在用户发起跨链事务中止请求时. 在单跳跨链事务原子性分析的基础上，由于SCw1中的跨链事务存在中间状态W，因此当用户请求跨链事务中止时，SCw1中的跨链事务状态将与SCw2中的跨链事务保持一致，因此不会出现跨链事务状态在不同的SCw中分别为F和S的情况. 此外，在路径上的其他链上，SCw只会对信使节点传递的证据进行验证，进而触发相应事件，促使信使节点完成跨链事务的路由. 因此攻击者无法通过直接操控路径链上的SCw违反原子性.
因此，攻击者只能通过在链上部署存在漏洞的SCw操纵证据的验证结果，使跨链事务在源链和目标链上的状态矛盾，或发行存在漏洞的SCa进而直接改变资产状态，使SCa和SCa′同时处于A状态. 然而，存在漏洞的SCw将无法通过管理员用户的审核，因此无法成功应用到架构中参与资产跨链转移，进而无法发行存在漏洞的SCa，跨链事务的原子性得以保证.
2）对信使节点的攻击
首先，攻击者可以攻击信使节点进而伪造虚假的证据使跨链事务在源链见证链中的状态为F，在目标链见证链中的状态为S，导致SCa从L状态解锁为A状态，SC′a从NA状态激活为A状态. 然而，由于证据中包含证据来源链的共识节点对相关区块的签名列表，而恶意的信使节点无法伪造这些签名，因此虚假证据无法通过SCw的签名验证. 因此恶意的信使节点无法通过伪造证据的方式违反跨链事务原子性.
其次，恶意的信使节点有可能拒绝在链间传递证据，这可能会影响跨链事务的执行效率，但不会违反跨链事务的原子性. 在实际应用过程中，可以通过设置集群，采用安全的共识算法等方式提高信使节点的可用性，降低被攻击的风险. 具体实施细节不在本文的讨论范围之内.
另一方面，当出现网络阻塞、区块链吞吐量瓶颈等情况时，跨链事务子交易可能无法及时执行，跨链事务的执行效率将会降低，整体执行时延增大，但跨链事务的执行过程不受影响，因此原子性不会受到影响.
综上所述，跨链事务在SCw中有着严格的状态变化规则，且只能通过验证信使节点传递的证据自动改变状态，同时SCa和SC′a也只能根据跨链事务的状态进行状态变化，因此攻击者无法通过直接操纵SCa，SC′a，SCw违反原子性. 每条链上管理员用户的设置则有效防止了攻击者通过部署存在漏洞的合约违反原子性的情况. 而证据中的签名列表则使得攻击者无法通过攻击信使节点伪造证据的途径违反原子性. 而网络阻塞、区块链吞吐量瓶颈等异常情况仅仅会影响跨链事务的执行效率而不会影响原子性. 通过以上分析，本文方法可以有效保证跨链事务的原子性.
3.3.3 资产跨链转移流程
本节以资产转移单跳跨链事务为例介绍方法实现资产跨链转移的流程，具体过程如图8所示，包括跨链请求发起、跨链请求路由、跨链见证、跨链结果路由和资产状态变更5个阶段.
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图 8 资产跨链转移单跳跨链事务流程Figure 8. The process of a single-hop cross-chain transaction for asset cross-chain transfer1）跨链请求发起阶段. 资产拥有用户和资产发行用户在源链上调用SCa触发跨链请求，SCa设置状态为L，同时生成跨链事务信息发送给源链SCw，由源链SCw触发InitTx事件. 与此同时，在目标链上，资产发行用户铸造新资产SC′a（初始状态为NA）并由资产拥有用户检查确认，SC′a生成跨链事务数据发送给目标链SCw，由目标链SCw触发InitTx事件.
2）跨链请求路由阶段. 信使节点1通过监听源链InitTx事件获取跨链事务数据，并调用源链SDK得到跨链事务在源链执行发起的证明数据1，构造证据1以交易的形式提交给见证链SCw. 同样，信使节点2将构造证据2提交给见证链SCw.
3）跨链见证阶段. 见证链SCw在收到证据后对证据进行验证. 当收到第1个合法证据后，见证链SCw将跨链事务信息记录下来，设置状态为P. 当收到第2个合法证据后，若跨链事务状态为P，则见证链SCw将跨链事务状态变更为S，并触发FinishTx事件表示跨链事务完成.
4）跨链结果路由阶段. 信使节点1和信使节点2通过监听见证链FinishTx事件获取已完成的跨链事务数据，并调用见证链SDK得到跨链事务在见证链完成的证明数据3，分别构造证据3和证据4以交易的形式提交给源链SCw和目标链SCw.
5）资产状态变更阶段. 源链和目标链SCw在收到信使节点发送的跨链事务完成的证据后，对证据进行验证，然后调用对应的资产合约进行状态变更. 在源链上，SCw将SCa的状态由L设置为NA；在目标链上，SCw将SC′a的状态由NA设置为A.
多跳跨链事务的流程与单跳跨链事务类似，不同之处在于需要在2个见证链上进行见证，跨链事务在一条链上的执行信息需要路由到另一条链，因此在跨链请求路由阶段和跨链结果路由阶段，需要多次信使节点与路径上的其他链的交互.
SCw通过证据的验证得知跨链事务在上一条链的执行状态，有关证据的内容将在第4节中介绍.
4. 基于Verkle树的跨链事务验证证据
本节将对基于Verkle树的跨链事务验证证据进行介绍，首先介绍证据的结构，然后介绍区块中由跨链事务信息组成的Verkle树，最后介绍证据的构建和验证过程.
4.1 证据的结构
如表2所示，一个证据包含了10个字段，保存了证据的ID、摘要、区块信息、跨链事务相关信息和证明，以及2个签名列表.
表 2 证据结构Table 2. The Structure of Evidence证据字段 含义 id 证据的ID digest 证据内容摘要哈希值 bHash 区块头哈希值 subBHash 区块头中其他字段的聚合哈希值 transactionId 跨链事务ID type 跨链事务处理类型 param 跨链事务信息 proof 跨链事务的证明数据 sigList 区块链共识节点签名列表 mSigList 信使节点的签名列表 每个信使节点发送的证据都有1个单调递增的唯一ID，便于SCw实现证据的过滤，也可以根据需求实现证据的有序处理. digest为证据内容的摘要. 区块信息主要包括跨链事务在上一条区块链中被处理时所在区块头的哈希值bHash和区块头中其他字段的聚合哈希值subBHash. 为了便于证据的验证，本文方法修改了区块结构，将由跨链事务信息构成的Verkle树根的承诺字符串CRoot保存到区块头中，并按式（4）计算区块哈希值.
bHash=hash(subBHash,CRoot)， (4) 即bHash由subBHash与CRoot聚合后再进行1次哈希计算得到.
跨链事务相关信息包括跨链事务的ID transactionId、处理类型type和一个param. 其中，transactionId是一个哈希值，type告知SCw应如何处理跨链事务，根据type的不同，param具有不同的值，表3展示了type与param的类型，其中cid表示区块链ID.
表 3 证据中的type和param类型Table 3. The Types of type and param in Evidence类型 type param 含义 Init 0 cid 发起跨链事务且需要路由到链cid. Finish 1 无 跨链事务已完成. Route 2 cid 跨链事务需要被路由到链cid. Abort −1 cid 用户请求中止跨链事务且需要路由到链cid. Fail −2 无 跨链事务已中止. FailRoute −3 cid 需要中止的跨链事务需要被路由到链cid. 如表3所示，type与param的类型与SCw可能触发的事件类型与参数十分对应. 当SCw收到Init类型的证据时，表示当前区块链的子链发起了跨链事务，因此需要作为见证链注册跨链事务，同时对cid进行检查，若cid链是当前区块链的子链，则等待另一方链证据的到来；若cid链不是当前区块链的子链，则
需要触发RouteTx事件. 当SCw收到Finish类型的证据时，则需要对跨链事务所对应的资产合约进行状态变更. 当SCw收到Route类型的证据时，对cid进行检查，若cid链是当前区块链的子链，则对跨链事务的状态进行变更；若cid链不是当前区块链的子链，则需要触发RouteTx事件. 需要注意的是，若一方见证链在收到子链的Init类型证据之前收到了来自另一方的Route类型的证据，且cid是子链，则进行跨链事务的注册，在收到子链的Init类型证据时进行跨链事务的状态变更. Abort，Fail，FailRoute类型的证据的处理过程与Init，Finish，Route类型的证据类似，此处不再赘述.
proof字段是跨链事务在前一区块链中被正确处理的证明数据，具体组成将在4.2节介绍，proof字段中包含了CRoot.sigList和mSigList是2个签名列表，其中sigList保存了前一区块链共识节点的签名列表，供SCw验证区块的有效性，保证了CRoot的正确性；mSigList是连接当前区块链和前一区块链的信使节点的签名列表，供SCw验证证据的合法性.
4.2 跨链事务信息Verkle树
本区块内所有被SCw处理的，需要被下一区块链继续处理的跨链事务信息将被组织为1棵Verkle树，同时Verkle树根节点的承诺字符串CRoot也将被保存到区块头中，图9展示了1个区块内由跨链事务构成的Verkle树的示例.
如图9（a）表格所示，假设本区块内共有5个跨链事务被SCw处理. 每个跨链事务都将被图9（b）的Verkle树中的1个叶子节点保存，其中Key为跨链事务ID，它是一个哈希值，Value由证据的type与param按顺序拼接而成. 内部节点连接了所有具有共同前缀的叶子节点和内部节点，其中，Prefix保存了共同前缀，Value则保存了由所有子节点的Key/Prefix-Value通过拉格朗日插值法构成的多项式的KZG承诺，该多项式的参数数组coeffs将被保存在Poly字段，该字段不会公开. 出块矿工构建Verkle树的算法如算法1所示：
算法1. Verkle树的构建.
输入：跨链事务列表txList，Verkle树节点宽度w；
输出：跨链事务Verkle树t.
① function construct(PatriciaTree pt, InnerNode n)
/*定义将1棵Patricia树构建为Verkle树的函 数*/
② for each cn in n.childNode
③ if cn.isInstanceOf (InnerNode) and cn.Value == NULL
④ pt ← construct(pt, cn)；
⑤ end if
⑥ end for
⑦ points ← List((1, 1))；
⑧ for each cn in n.childNode
⑨ if cn.isInstanceOf (InnerNode)
⑩ x ← cn.Prefix；
⑪ else
⑫ x ← cn.Key；
⑬ end if
⑭ y ← x + cn.Value；
⑮ points.append((x, y))；
⑯ end for
⑰ coeffs ← interpolate(points)；
⑱ n.Poly ← coeffs；
⑲ C ← commit(coeffs)；
⑳ n.Value ← C；
㉑ pt.update(n)；
㉒ return pt；
㉓ t ← constructPatriciaTree(w)；/*首先构建1棵 Patricia树*/
㉔ for each tx in txList
㉕ t.insert(tx.transactionId, tx.type, tx.param)；
㉖ end for
㉗ t ← construct(t, t.Root).
算法1将输入中的跨链事务列表txList构建为1棵宽度为w的Verkle树t. 首先定义了1个函数construct()，该函数接受1棵Patricia树pt和1个内部节点n为参数，对pt内以n为根节点的子树进行承诺. 该函数首先对n的所有子节点cn进行遍历，若cn是InnerNode且承诺值为NULL，则需要递归调用函数先对pt内以n为根节点的子树进行承诺. 之后，构建1个初始包含点(1, 1)的点列表points，将n的所有子节点信息按规则组合作为多项式的点加入points中，然后对points中的所有点通过拉格朗日插值法得到多项式系数数组coeffs. 最后，对多项式进行KZG承诺得到承诺值C，将coeffs和C保存到n中，并将n更新到pt中并返回pt. 当需要构建1棵Verkle树时，首先需要构建1棵Patricia树，然后将txList中的每个跨链事务插入树中，最后调用construct()构建Verkle树.
4.3 证据的构建和验证
当监听到来自SCw的事件时，信使节点需要构建证据并将其传递到连接的另一条链的SCw进行验证. 信使节点构建证据的算法和SCw验证证据的过程如算法2和算法3所示.
算法2. 证据的构建.
输入：日志事件event，向SCw提交过的证据数nonce，私钥priKey；
输出：证据e.
① function chain.getProof (Hash blockHash, Hash txHash) /*定义区块链SDK中的获取跨链事 务证明的函数*/
② block ← getBlock(blockHash)；
③ vt ← block.verkleTree；
④ node ← vt.getNode(txHash)；
⑤ proofList ← List()；
⑥ while node.pNode != NULL do
⑦ pNode ← node.pNode；
⑧ if node.isInstanceOf (InnerNode)
⑨ π, C ← genProof (pNode.Poly, node.Prefix)；
⑩ else
⑪ π, C ← genProof (pNode.Poly, node.Key)；
⑫ end if
⑬ proofList.append((π, C))；
⑭ node ← pNode；
⑮ end while
⑯ return proofList；
⑰ e ← constructEvidence()；
⑱ e.id ← nonce + 1；
⑲ e.bHash ← event.blockHash；
⑳ block ← chain.getBlockByHash(e.bHash)；
㉑ e ← setOtherFields(e, event, block)；
㉒ e.proof ← chain.getProof (e.bHash, e.transactionID)；
㉓ e.digest ← e.hash()；
㉔ e.mSigList ← sign(priKey, e.digest).
在算法2中，首先定义了区块链SDK中的getProof函数，该函数通过接收区块哈希blockHash和跨链事务ID txHash作为参数，获取跨链事务在Verkle树中的证明数据proofList. 具体而言，函数首先通过blockHash得到Verkle树vt，并根据txHash获得vt中对应的叶子节点node. 之后从node开始遍历直至根节点，将路径上的节点的父内部节点对自身Key/Prefix和Value的证明π和父内部节点的承诺C加入到proofList中，最后返回proofList. 当构建证据e时，信使节点根据事件event的信息和向SCw提交过的证据数nonce对e的各字段进行填充，并调用SDK的获取getProof函数证明数据，最后计算e的摘要并签名.
算法3. 证据的验证.
输入：证据e；
输出：证据验证结果result.
① require verifySig(e.mSigList, mPubKey)；
② require e.bHash == hash(e.subBHash, e.proof [e.proof.length − 1].C)；
③ require verifySig(e.sigList, rPubKey)；
④ x ← e.transactionID；
⑤ y ← e.transactionID + e.type_e.param；
⑥ for each p in e.proof
⑦ if !verify(p.C, p.proofData, x, y)
⑧ result ← false；
⑨ return result；
⑩ else
⑪ x ← p.Prefix；
⑫ y ← x + p.C；
⑬ end if
⑭ end for
⑮ result ← true；
⑯ return result.
在算法3中，SCw首先对证据e和区块的签名进行验证，然后开始对e中的proof字段中的每个证明数据p进行验证. 第1次验证时，验证的多项式点为(e.transactionID, e.transactionID + e.type_e.param)，之后每次验证的点为 (p.Prefix, p.Prefix +C). 只有当proof字段中的每个p都验证成功时，e才被视为证明成功. SCw将根据e的类型对跨链事务做出相应处理.
5. 理论分析与实验
本节首先通过理论分析比较多层级区块链架构在一般多跳跨链模式下和见证链模式下进行资产跨链转移时的跨链事务执行时延. 然后通过实验比较基于Verkle树的证据和基于SPV的证据在传输开销和验证开销. 实验在2台Intel® Xeon® Gold 6240C CPU @ 2.60 GHz，256 GB运行内存的服务器上进行，2台服务器各被拟化为5台虚拟机，每台虚拟机上运行1条单节点兼容EVM的私有链. 本文修改了区块结构，使其额外维护1棵由本区块内处理的跨链事务信息组成的Verkle树，KZG承诺选取“永续Tau（τ）计算” 项目（https://github.com/privacy-scaling-explorations/perpetualpowersoftau）作为可信设置，使用BN256[21]椭圆曲线. 各链上部署SCw原型，并由链间的信使节点原型负责证据的构建和传递，其中SCw原型使用Solidity语言实现，信使节点原型使用Python语言实现. 通过理论分析与实验验证本文方法在多层级区块链架构下实现资产跨链转移的轻量级和高效验证的特性.
5.1 跨链事务执行时延
在资产跨链转移场景下，本文将跨链事务的执行时延定义为从源链资产成功锁定，到目标链资产成功铸造后源链资产冻结的间隔时间. 本文假设区块链的序号从源链到目标链沿路径单调递增，定义1个区块链i从成功执行1次SCw验证证据并处理跨链事务的所需时间为θi. 考虑到由于区块链向不同方向跨链频次的不同，信使节点向不同方向构造和传递证据的速度可能不同，因此本文定义连接区块链i和区块链i+1之间的信使节点i完成证据的构建并将证据从区块链i传递到区块链i+1的所需时间为ωi，从区块链i+1传递到区块链i的所需时间为ω'i. 跨链事务执行时延在一般多跳跨链模式下和见证链模式下的示意图如图10所示.
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图 10 跨链事务执行时延示意图Figure 10. The illustration of execution latency of cross-chain transaction在一般多跳跨链模式下，跨链事务从源链发起跨链请求开始，到目标链的跨链回执原路返回到源链，源链资产冻结时结束. 这需要经过跨链事务信息从源链到目标链再从目标链回到源链的过程. 如图10(a)所示，这是一个串行过程，若跨链事务源链与目标链之间相隔hop跳，则跨链事务从源链执行到目标链必须经过(hop+2)个区块链及(hop+1)个信使节点，执行时延为hop+2∑i=1θi+hop+1∑i=1ωi，再从目标链执行到源链仍必须经过(hop+1)个区块链和信使节点，执行时延为hop+1∑i=1(θi+ω′i)，整体的执行时延Tc如式（5）所示：
Tc=hop+2∑i=1θi+hop+1∑i=1θi+hop+1∑i=1(ωi+ω′i). (5) 在见证链模式下，跨链事务从源链和目标链同时开始执行. 如图10（b）所示，当跨链事务从源链向目标链执行时，跨链事务首先执行至目标链的见证链，然后再由目标链的见证链向目标链执行；当跨链事务从目标链向源链执行时，跨链事务首先执行至源链的见证链，然后再由源链的见证链向源链执行. 因此，跨链事务的整体执行时延Tw取决于2个方向执行时延的最大值，如式（6）所示：
Tw=max (6) 那么，2种模式下跨链事务执行的时延差\Delta T和优化率\eta 分别如式（7）和式（8）所示：
\begin{gathered} \Delta T = {T_{\text{c}}} - {T_{\text{w}}} = \sum\limits_{i = 1}^{hop + 1} {{\theta _i}} + \min \left(\sum\limits_{i = 1}^{hop + 1} {{\omega _i}} ,\sum\limits_{i = 1}^{hop + 1} {{\omega '_i}} \right), \\ \end{gathered} (7) \begin{gathered} \eta = \frac{{\Delta T}}{{{T_{\text{c}}}}} = \dfrac{{\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^{hop + 1} {{\theta _i}} + \min \left(\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^{hop + 1} {{\omega _i}} ,\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^{hop + 1} {{\omega '_i}} \right)}}{{\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^{hop + 2} {{\theta _i}} + \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^{hop + 1} {{\theta _i}} + \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^{hop + 1} {({\omega _i} + {\omega '_i})} }}. \end{gathered} (8) 分析可得，当\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^{hop + 1} {{\omega _i}} = \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^{hop + 1} {{\omega '_i}} 时，\eta 达到最大值，该最大值接近50%，证明本文方法最高可将跨链事务执行时延可降低为一般多跳跨链模式下的近50%；当\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^{hop + 1} {{\omega _i}} 与\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^{hop + 1} {{\omega '_i}} 差值的绝对值增大时，\eta 减小，但\eta 仍大于0，且考虑到现实应用场景下 {\omega }_{i} 和 {\omega }_{i}' 小于 {\theta }_{i} ，\eta 仍接近50%，这证明了本文方法可以有效降低跨链事务的执行时延.
5.2 证据的传输开销和验证开销
本节通过实验比较本文方法所采用的基于Verkle树的验证证据和BitXHub等采用的基于SPV的证据在传输开销和验证开销方面的表现，其中，传输开销采用证据的大小作为指标，验证开销采用SCw验证证据所使用的Gas作为指标. 本文的Verkle树多项式承诺验证方案实现了内部节点宽度为16和256的方案（Verkle树-16和Verkle树-256）；SPV验证方案除了实现基于Merkle树（SPV-Merkle树）的方案外，还实现了内部节点宽度为16的MPT的方案（SPV-MPT-16）. 在SPV方案中，每个区块额外维护1棵由跨链事务信息组成的Merkle 树或MPT.
5.2.1 2条链之间的证据的传输开销和验证开销
本节对跨链事务执行时2条链之间的证据的传输开销和验证开销进行了实验，实验测试4种方案在2条链之间单个区块内处理的跨链事务数增加时，所有跨链事务的证据平均大小和验证平均使用的Gas. 实验使用2条私有链，其中一条链负责触发跨链事件供信使节点监听，另一条链负责对证据进行验证. 实验预先随机生成一定数量的跨链事务，并在4种方案下执行，每个实验进行3次并将实验结果取平均值.
1）证据的传输开销
本节测试了当1个区块内需要处理的跨链事务数量从10~100和从100~
1000 时，信使节点所构造的证据的平均大小. 实验结果如图11和图12所示.![]()
图 11 证据的平均大小 (跨链事务数量10~100)Figure 11. The average size of evidence (10-100 cross-chain transactions)![]()
图 12 证据的平均大小(跨链事务数量100~1000 )Figure 12. The average size of evidence (100-1000 cross-chain transactions)如图11和图12所示. 当1个区块内需要处理的跨链事务数量增加时，4种方案的证据平均大小都呈增加态势. 其中，当跨链事务数量等于10时，SPV-MPT-16方案与Verkle树-16方案的证据平均大小相当，这是因为跨链事务数量较少，Verkle树与MPT的根节点未满，Verkle树方案所需的承诺和证明数据大小与MPT方案所需的哈希值大小相近. 而随着跨链事务数量继续增多，SPV-MPT-16方案证据的平均大小增长比其他方案更快，几乎达到Verkle树-16方案的2倍，Verkle树-256和SPV-Merkle树方案的3倍，这是因为随着跨链事务数量的增加，MPT每个内部节点的子节点数量增加，验证所需要的哈希值数量增加. 而Verkle树-16方案与Verkle树-256方案随着跨链事务数量增加，Verkle树的层数增加，证据的平均大小随之增加，Verkle树-16方案与Verkle树-256方案相比具有更小的宽度，因此树的深度更大，证据的平均大小也更大. Verkle树-256方案的证据平均大小与SPV-Merkle树方案的相当，且由于Merkle树是二叉树，每当跨链事务数量达到2的整数幂时，Merkle树的深度会增加1，因此证据的平均大小也会增加1个哈希值的大小. 从2条链间的证据传输开销来看，本文方法所采用的Verkle树-256方案与SPV-Merkle树方案相当，且相比于SPV-MPT-16方案降低了22%~61%，这说明本文方法不会比SPV方法增加证据的大小，具有轻量级的特点.
2）证据的验证开销
本节测试了当1个区块内需要处理的跨链事务数量从10~100和从100~
1000 时，SCw验证证据平均使用的Gas. 实验结果如图13和图14所示.![]()
图 13 证据验证平均使用的Gas（跨链事务数量10~100）Figure 13. The average Gas used of evidence validation (10-100 cross-chain transactions)![]()
图 14 证据验证平均使用的Gas (跨链事务数量100~1000 )Figure 14. The average Gas used of evidence validation (100-1000 cross-chain transactions)如图13和图14所示，当1个区块内需要处理的跨链事务数量增加时，4种方案的证据验证平均使用的Gas呈增加态势. 其中，当跨链事务数量等于10时，SPV-MPT-16方案相比Verkle树-256方案验证证据平均使用的Gas更少，但随着跨链事务数量的增加， SPV-MPT-16方案使用的Gas逐渐超过Verkle树-256方案，但比Verkle树-16方案少，而SPV-Merkle树方案则平均需要使用更多Gas，是Verkle树-256方案的2倍多，Verkle树-16方案的1.5倍，且随着Merkle树深度的增长，所使用的Gas呈阶梯状增长. 而Verkle树-16方案稍差于SPV-MPT-16方案，主要是由于进行KZG验证比MPT树进行Merkle验证需要使用更多的Gas，但由于在证据传输方面具有优势，因此在带宽比计算能力更昂贵的情境下，采用Verkle树-16方案是一种更好的选择[13]. 而Verkle树-256方案仍具有最小的证据验证平均使用Gas. 从2条链间的证据验证所使用的Gas来看，本文方法所采用的Verkle树-256方案相较于BitXHub等方案采用的SPV验证方案具有很大的优势，当1个区块内需要处理的跨链事务数量大于30时，相比于SPV-MPT-16方案降低了13%~21%，相比于SPV-Merkle树方案降低了47%~56%，证据的验证的计算资源开销更低，具有高效验证的特点.
5.2.2 多层级架构内的证据的传输开销和验证开销
本节对跨链事务执行过程中在多层级架构所有的证据的总传输开销和总验证开销进行了实验，实验测试4种方案在相同的源链和目标链间同时（同一区块内）发生100个跨链事务的条件下，当跨链事务跳数增加时，所有证据的总大小和验证使用的总Gas. 实验使用10条私有链，将其中2条链固定设置为源链和目标链，逐步增加跨链事务的跳数从1~8，每个实验预先生成100个跨链事务，并在4种方案下执行，每个实验进行3次并将实验结果取平均值.
1）证据的传输开销
本节测试了当100个跨链事务跳数从1~8时，所有信使节点所构造的所有证据的总大小. 实验结果如图15所示. 在跨链事务数量不变的条件下，当跨链事务的跳数增加时，4种方案在架构内生成的所有证据总大小呈近乎线性增加的态势. 其中，Verkle树-256方案和SPV-Merkle树方案的证据总大小近乎相同；而随着跨链事务跳数增多，SPV-MPT-16方案证据的平均大小增长比其他方案更快，达到了Verkle树-256和SPV-Merkle树方案的2倍多；Verkle树-256方案的证据平均大小与SPV-Merkle树方案的相当，上述实验结果的特点与5.2.1节1）中一致. 从整个架构内的证据传输开销来看，本文方法的轻量级特性依然存在，所采用的Verkle树-256方案与SPV-Merkle树方案相当，且相比于SPV-MPT-16方案降低了56%~60%.
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图 15 所有证据的总大小 (跨链事务数量100)Figure 15. The total size of all evidence (100 cross-chain transactions)2）证据的验证开销
本节测试了当100个跨链事务跳数从1~8时，所有证据验证使用的总Gas，实验结果如图16所示.
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图 16 所有证据验证使用的总Gas (跨链事务数量100)Figure 16. The total Gas used of all evidence validation (100 cross-chain transactions)在跨链事务数量不变的条件下，当跨链事务的跳数增加时，4种方案在架构内生成的所有证据验证使用的总Gas呈近乎线性增加的态势. 与5.2.1节2）的实验结果一致，SPV-Merkle树方案需要使用的总Gas最多，Verkle树-256方案需要使用的总Gas最少，Verkle树-16方案仍然稍差于SPV-MPT-16方案. 从整个架构内的证据验证开销来看，本文方法所采用的Verkle树-256方案比SPV验证方案具有很大的优势，当1个区块内需要处理的跨链事务数量大于30时，相比于SPV-MPT-16方案降低了16%~28%，相比于SPV-Merkle树方案降低了52%~58%，体现了本文方法的高效验证的特性.
综合5.2.1节和5.2.2节的实验来看，无论是在2条链之间还是在整个多层级架构中，本文方法的基于Verkle树的证据在跨链事务执行过程中具有与采用Merkle树的SPV方案的证据相当的传输开销，比采用MPT的SPV方案的证据更低的传输开销，且大大降低了验证开销, 相比于采用SPV验证的方案具备很大优势，体现了本文方法在多层级区块链架构下实现资产跨链转移的轻量级和高效验证的特性.
6. 结 论
本文提出了一种面向多层级区块链的轻量级高效验证资产跨链转移方法. 方法在多层级区块链架构顶层引入顶层见证链，并利用多层级区块链的特点，使源链和目标链的父链作为见证链见证跨链事务的完成，从而降低跨链事务的执行时延，通过在各链上部署见证合约实现资产跨链转移的各项功能. 方法还提出了一种基于Verkle树的跨链事务验证证据，将区块内需要处理的跨链事务信息组织为采用KZG承诺的Verkle树保存在区块内. 对跨链事务信息进行多项式承诺并将证明数据加入证据中，通过KZG承诺和证明验证跨链事务的执行状态，从而在不增加证据传输开销的基础上降低证据验证所需的计算资源开销，具有轻量级和高效验证的特性.
未来的工作包括2个方面：
1）优化证据的证明数据生成和验证方式，将Verkle树路径上的多个KZG证明合并为1个，从而进一步降低证据的传输开销和验证开销.
2）扩展方法的功能，实现多层级区块链架构存在的其他跨链需求（如跨链协作等）.
作者贡献声明：牛翔宇提出方法思路和实验方案、完成实验并撰写论文；孔兰菊负责方法设计、提出指导意见并修改论文；蒋亚丽、钱进负责实验指导；崔立真、李庆忠提出指导意见并修改论文.
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图 4 面向多层级区块链架构的资产跨链转移方法协议栈
Figure 4. The protocol stack of the assets cross-chain transfer method for multi-level blockchains architecture
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图 6 2种跨链事务的状态变化规则
Figure 6. The state change rules for two types of cross-chain transaction
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图 7 跨链事务的结构与状态变化规则
Figure 7. The structure and state change rules for cross-chain transactions
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图 8 资产跨链转移单跳跨链事务流程
Figure 8. The process of a single-hop cross-chain transaction for asset cross-chain transfer
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图 10 跨链事务执行时延示意图
Figure 10. The illustration of execution latency of cross-chain transaction
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图 11 证据的平均大小 (跨链事务数量10~100)
Figure 11. The average size of evidence (10-100 cross-chain transactions)
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图 12 证据的平均大小(跨链事务数量100~
1000 )Figure 12. The average size of evidence (100-
1000 cross-chain transactions)![]()
图 13 证据验证平均使用的Gas（跨链事务数量10~100）
Figure 13. The average Gas used of evidence validation (10-100 cross-chain transactions)
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图 14 证据验证平均使用的Gas (跨链事务数量100~
1000 )Figure 14. The average Gas used of evidence validation (100-
1000 cross-chain transactions)![]()
图 15 所有证据的总大小 (跨链事务数量100)
Figure 15. The total size of all evidence (100 cross-chain transactions)
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图 16 所有证据验证使用的总Gas (跨链事务数量100)
Figure 16. The total Gas used of all evidence validation (100 cross-chain transactions)
表 1 SCw中的事件类型
Table 1 Types of Events in SCw
事件类型 触发功能 事件参数 含义 InitTx 跨链事务发起 txid，cid 发起跨链事务txid且需要路由到链cid. FinishTx 跨链事务见证 txid 跨链事务txid已完成. RouteTx 证据验证 txid，cid 跨链事务txid需要被路由到链cid. AbortTx 跨链事务中止 txid，cid 用户请求中止跨链事务txid且需要路由到链cid. FailTx 跨链事务见证 txid 跨链事务txid已中止. FailRouteTx 证据验证 txid，cid 需要中止的跨链事务txid需要被路由到链cid. 
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表 2 证据结构
Table 2 The Structure of Evidence
证据字段 含义 id 证据的ID digest 证据内容摘要哈希值 bHash 区块头哈希值 subBHash 区块头中其他字段的聚合哈希值 transactionId 跨链事务ID type 跨链事务处理类型 param 跨链事务信息 proof 跨链事务的证明数据 sigList 区块链共识节点签名列表 mSigList 信使节点的签名列表
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表 3 证据中的type和param类型
Table 3 The Types of type and param in Evidence
类型 type param 含义 Init 0 cid 发起跨链事务且需要路由到链cid. Finish 1 无 跨链事务已完成. Route 2 cid 跨链事务需要被路由到链cid. Abort - 1 cid 用户请求中止跨链事务且需要路由到链cid. Fail - 2 无 跨链事务已中止. FailRoute - 3 cid 需要中止的跨链事务需要被路由到链cid.
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[1] Nakamoto S. Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system[EB/OL]. [2024-03-18]. https://bitcoin.org/bitcoin.pdf
[2] Taherdoost H, Madanchian M. Blockchain-based new business models: A systematic review[J]. Electronics, 2023, 12(6): 1479 doi: 10.3390/electronics12061479
[3] Frizzo-Barker J, Chow-White P A, Adams P R, et al. Blockchain as a disruptive technology for business: A systematic review[J]. International Journal of Information Management, 2020, 51: 102029 doi: 10.1016/j.ijinfomgt.2019.10.014
[4] Luthra S, Janssen M, Rana N P, et al. Categorizing and relating implementation challenges for realizing blockchain applications in government[J]. Information Technology & People, 2023, 36(4): 1580−1602
[5] Elisa N, Yang Longzhi, Chao Fei, et al. A framework of blockchain-based secure and privacy-preserving E-government system[J]. Wireless Networks, 2023, 29(3): 1005−1015 doi: 10.1007/s11276-018-1883-0
[6] Andrew J, Isravel D P, Sagayam K M, et al. Blockchain for healthcare systems: Architecture, security challenges, trends and future directions[J]. Journal of Network and Computer Applications, 2023, 215: 103633 doi: 10.1016/j.jnca.2023.103633
[7] Ghosh P K, Chakraborty A, Hasan M, et al. Blockchain application in healthcare systems: A review[J]. Systems, 2023, 11(1): 38 doi: 10.3390/systems11010038
[8] Amiri M J, Loo B T, Agrawal D, et al. Qanaat: A scalable multi-enterprise permissioned blockchain system with confidentiality guarantees[J]. Proceedings of the VLDB Endowment, 2022, 15(11): 2839−2852 doi: 10.14778/3551793.3551835
[9] Liu Jiaguo, Zhang Huimin, Zhen Lu. Blockchain technology in maritime supply chains: applications, architecture and challenges[J]. International Journal of Production Research, 2023, 61(11): 3547−3563 doi: 10.1080/00207543.2021.1930239
[10] Buterin V. Ethereum 2.0 mauve paper[EB/OL]. [2024-03-18]. https://cdn.hackaday.io/files/10879465447136/Mauve%20Paper%20Vitalik.pdf
[11] Xu Caichao, Wang Xiaoyi, Xia Liwei, et al. BitXHub whitepaper[EB/OL]. [2024-03-18]. https://upload.hyperchain.cn/BitXHub%20Whitepaper.pdf
[12] Kate A, Zaverucha G M, Goldberg I. Constant-size commitments to polynomials and their applications[C] //Proc of the 16th Int Conf on the Theory and Application of Cryptology and Information Security. Berlin: Springer, 2010: 177−194
[13] Kuszmaul J. Verkle trees[EB/OL]. [2024-03-18]. https://klein.mit.edu/research/highschool/primes/materials/2018/Kuszmaul.pdf
[14] Kwon J, Buchman E. Cosmos: A network of distributed ledgers[EB/OL]. [2024-03-18]. https://github.com/cosmos/cosmos/blob/master/WHITEPAPER.md
[15] Wood G. Polkadot: Vision for a heterogeneous multi-chain frame-work[EB/OL]. [2024-03-18]. https://github.com/polkadot-io/polkadot-white-paper/blob/master/PolkaDotPaper.pdf
[16] 段田田,郭仪,李博,等. PieBridge:一种按需可扩展的跨链架构[J]. 计算机研究与发展,2023,60(11):2520−2533 Duan Tiantian, Guo Yi, Li Bo, et al. PieBridge: An on-demand scalable cross-chain architecture[J]. Journal of Computer Research and Development, 2023, 60(11): 2520−2533(in Chinese)
[17] Zakhary V, Agrawal D, Abbadi A E. Atomic commitment across blockchains[J]. Proceedings of the VLDB Endowment, 2020, 13(9): 1319−1331 doi: 10.14778/3397230.3397231
[18] Herlihy M. Atomic cross-chain swaps[C] //Proc of the 37th SIGACT-SIGOPS ACM Symp on Principles of Distributed Computing. New York: ACM, 2018: 245−254
[19] Jin Fuqi, Li Wenquan, Kong Lanju, et al. An efficient atomic cross-chain commitment resisting fork fraud[J]. Frontiers of Computer Science, 2023, 17(5): 175614 doi: 10.1007/s11704-022-2275-2
[20] Buterin V. Verkle trees[EB/OL]. [2024-03-18]. https://vitalik.eth.limo/general/2021/06/18/verkle.html
[21] Barreto P S L M, Naehrig M. Pairing-friendly elliptic curves of prime order[C] //Proc of the 12th Int Workshop on Selected Areas in Cryptography. Berlin: Springer, 2005: 319−331
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