一文读懂互操性协议 IBC 与 XCMP 的区别

PA研习社｜2022-06-15 9:11

Cosmos 和 Polkadot 设想了一个区块链彼此共享且价值聚合的世界。

编者按：Cosmos 和 Polkadot 都在做互操性协议，他们有何区别呢？一起来了解下。

本文内容仅供参考学习，非投资建议。

本文由 Cosmos China 中文技术社区翻译，原文作者为 Aditya Ravi Raj。

编译标题：IBC 与 XCMP：互操作性协议对比

我们正在迎接必将到来的多链生态。根据定义，多链生态催生了对跨链通信的需求。虽然跨链桥在更广泛的互操作性方案中发挥着一种资产转移的特定功能，但这些桥接不足以满足跨链生态对于细微用例的要求。过去几年间发生的一系列针对桥接的攻击事件一致表明，具有托管性质的第三方桥接无法提供安全可靠的桥接转移服务。

目前，我们需要一种通用、无需许可、安全且可扩展的技术，在保持容错性的同时充当区块链之间的连接组织。跨链通信协议（IBC）和跨链消息传递协议（XCMP）是旨在体现这一跨链世界愿景的两种协议。

本文旨在对上述两种跨链通信协议进行全面概述。对于不熟悉 IBC 和 XCMP 的读者，下一节内容将对这两者进行简要介绍。在此基础上，本文将这两种协议进行并列对比，以剖析两者的异同以及各自的优缺点。

对比将基于安全性、通用性、可扩展性、用户体验和开发人员工具的水平。在最后，我们总结了本文的一些亮点。

什么是 IBC？

IBC 是一种允许异构区块链以可靠、有序和信任最小化的方式传递任何数据的协议。

IBC 协议的基础是轻客户端（light clients）和中继器（relayers）。通过 IBC 进行通信的链 A 和链 B 互相具有对方账本的轻客户端。链 A 无需信任第三方，只需通过验证区块头就可以对链 B 的状态达成共识。通过 IBC（尤其是模块）进行交互的链彼此间不会直接传送消息。相反，链 A 将数据包中的一些消息同步至其状态。随后，被称为「中继器」的无需许可的账外进程对这些数据包进行检测，并将它们传送给目标链。

轻客户端：

https://medium.com/cosmos-blockchain/light-clients-in-tendermint-consensus-1237cfbda104

中继器：

https://interchain-io.medium.com/ibc-relaying-as-a-service-the-in-protocol-incentivization-story-9922c7b953f0

图 1：IBC 数据包流程图，来源：ibcprotocol.org

总的来说，IBC 协议可分为两层，分别是 IBC TAO（传输、排序与验证）和应用层。

IBC TAO 对通过其发送的数据包所包含的信息不做任何假设，并且对这些数据包的结构不设限制，它只负责确保可靠、有序和经过验证的通信。而应用层（即模块）则负责决定如何解释数据包。

通过 Tendermint 和 Cosmos SDK 堆栈搭建的区块链可以快速实现 IBC 功能。IBC 还可以与其他基于 UTXO 或 Account 模型，并具有概率最终性的区块链进行集成，例如 Bitcoin 或 Ethereum。

IBC 集成文档：

https://ibc.cosmos.network/main/ibc/integration.html

IBC 协议是 Cosmos 坚持的「区块链互联网（Internet of Blockchains）」愿景的支柱。从这个意义上说，IBC 的设计选择受到了 TCP/IP 规范的影响。与 TCP/IP 为计算机通信制定标准的方式类似，IBC 也指定了一组通用抽象，通过将其实现可以允许区块链进行通信。TCP/IP 对通过网络中继的数据包的内容不设限制，IBC 也是如此。此外，与 HTTP 和 SMTP 等应用协议在 TCP/IP 上搭建的方式类似，FT（同质化资产）/NFT（非同质化资产）传输或跨链智能合约调用等应用实例也将 IBC 协议作为基础层。

什么是 XCMP？

XCMP 是 Polkadot 生态的跨链通信协议版本。它基于简单排队机制，允许一条平行链（parachain）与另一条平行链进行通信。XCMP 的特点是有可担保、信任最小化和有序的消息传递，是使用跨共识消息格式（XCM）的传输层。顾名思义，XCM 为 XCMP 在任意系统之间传输的任意数据提供了一种可用格式。换句话说，XCM 是在链之间传递的消息，而 XCMP 是传递该消息的方式。

Polkadot：

https://wiki.polkadot.network/docs/getting-started#what-is-polkadot

平行链：

https://wiki.polkadot.network/docs/glossary#parachain

跨共识信息格式：

https://medium.com/polkadot-network/xcm-the-cross-consensus-message-format-3b77b1373392

希望与平行链 B 通信的平行链 A 开放一个可以唯一标识对方链的双向通道（或两个单向通道）。平行链 A 发起一条跨链消息，链 A 的收集人（collator）节点拾取该消息，并将其放入链 A 的传出消息队列中。收集人节点本质上负责维护中继链及其对应的平行链的全节点。平行链 B 上的收集人节点负责扫描所有传入该链的消息。当它侦测到来自链 A 的消息时，会将该消息放入传入队列中。随后，该收集人节点处理该消息，将其加入一个新提议的区块（block）中，并发送到中继链进行验证。一旦平行链上的区块被验证人成功验证，该区块的哈希值就会包含在中继链中。

与 IBC 协议类似，XCMP 协议能够保证信任最小化的消息传递，而无需规定接受链如何解释这些消息。执行代码/解释逻辑的角色由 SPREE 模块执行。SPREE（Shared Protected Runtime Execution Enclaves，共享安全区）是 WebAssembly 代码的二进制大对象（blob），通过治理提案上传至中继链。平行链可以决定选择加入 SPREE 模块所执行的逻辑。SPREE 在补充 XCMP 协议方面发挥着重要作用，因为 XCMP 确保消息的传递，而 SPREE 则确保消息的执行。

SPREE 模块：

https://wiki.polkadot.network/docs/learn-spree#what-is-a-spree-module

除了 XCMP，Polkadot 还具有两种使用 XCM 格式的不同传输机制。即向上消息传递（UMP）和向下消息传递（DMP）。前者负责将消息从平行链传递到中继链，后者负责将消息从中继链传递到平行链。UMP 和 DMP 均属于垂直消息传递（VMP）的范畴。

需要注意的是，XCMP 目前正在开发中（尽管 XCM 已上线）。目前已作为替代部署的是一种称为水平中继路由信息传递（HRMP）的协议。HRMP 从根本上说是不可持续的，因为所有跨链消息都必须存储在中继链上，这使它在存储和成本方面的资源密集程度很高。Polkadot 计划在 XCMP 经过实战测试并准备好交付后逐步淘汰 HRMP。

XCM 已上线：

https://thedefiant.io/polkadot-interoperable-multi-chain-ecosystem/

相比之下，IBC 自 2021 年 4 月发布以来一直投入使用。在此期间，IBC 被大量区块链所采用。截至本文撰写时，已有 46 条链通过 IBC 协议互连，其在 30 天内处理的事务量价值达到了 50 亿美元。

IBC 链：

http://mapofzones.com/

IBC 的先发优势和 XCMP 正在开发中的事实并不会影响对这两种协议进行比较的范围。这主要是因为 XCMP 的架构和设计（尽管尚未上线）已经确定。

对比 IBC 与 XCMP

本节讨论的是 IBC 和 XCMP 的优缺点以及两者之间的异同。在比较这两个标准时，需要考虑以下属性：

安全性

通用性

可扩展性

用户体验（UI）

开发者工具

鉴于这两种协议旨在实现相同的互操作性目标，因此两者之间存在一些共同点。但由于 Cosmos 和 Polkadot 生态的底层架构不同，且 IBC 和 XCMP 的某些属性来自其本身的协议架构，因此两者之间存在许多关键差异。

请注意，由于 Polkadot 的互操作性设计，上述一些属性将更适用于 XCM 而不是 XCMP。在这种情况下，我们将对两者区别进行明确定义。从某种意义上说，IBC TAO 层映射到 XCMP，而 IBC 的应用层映射到 XCM。因此，如果不讨论 XCM，IBC 与 XCMP 的对比就是不完整的。

01 安全性

1.1 IBC

在分布式系统中，安全属性本质上与信任最小化属性相关联。因此，了解区块链的安全程度意味着要了解其信任最小化的程度。

在 Cosmos 应用专有链生态中，网络的安全性是由其自身提供的。每条链都有自己的验证人集，因此也有自己的安全模型。上一节中提到，IBC 协议中数据包的验证与排序是由轻客户端完成的。从 IBC 的角度来看，两个账本通过协议进行通信的过程，其实就是双方链上的轻客户端维护和更新另一条链状态的过程。因此，IBC 的安全属性归根结底是轻客户端的安全属性。简而言之，IBC 通过轻客户端描绘了不同区块链的共识算法之间的交互。

Cosmos 生态：

https://cosmos.network/ecosystem/apps/

也就是说，如果您信任两条特定的链来使用它们提供的功能（以及默认情况下使用它们的共识算法），那么在通过 IBC 在这两条链之间进行交互时，就不需要作额外的信任假设。这就是「信任最小化」这一术语的含义。

值得注意的是，IBC 将在实现「跨链安全」（也就是 Cosmos 生态版本的「共享安全」）方面发挥重要作用。跨链安全功能一旦推出，生态内的区块链将可以选择自己维护网络安全、从 Cosmos Hub 租用安全性，或同时采用两种方法（即「分层安全性」）。

分层安全：

https://github.com/cosmos/gaia/blob/main/docs/interchain-security.md

1.2 XCMP

通过使用 Polkadot 的共享安全模型，所有平行链都能获得中继链的经济安全性。一旦平行链在 Polkadot 中获得一个插槽（Slot）并经由其连接到中继链，负责维护中继链安全性的验证人集也会同时维护平行链的安全性。这意味着攻击平行链的成本等同于攻击生态中任何其他链的成本，包括中继链。从操作的角度来看，平行链只需要维护将状态转移证明传送给验证人的收集人节点。

Polkadot 的共享安全模型：

https://wiki.polkadot.network/docs/learn-security#shared-security

XCMP 从这种共享安全模型中获得了信任最小化的特性，其中，中继链的安全属性保证了消息传递的正确性和真实性，而无需信任第三方。由于同一个验证人集可以保护所有平行链，因此 XCMP 上的跨链通信只需信任一个验证人集。

但这并不完全代表 XCMP 不会强加额外的信任假设。由于收集人节点负责在平行链之间发送和接收消息，因此理论上他们也可以对消息进行审查。比如，收集人可以选择只接收消息但不传递。因此，XCMP 增加了额外的信任假设，即至少有一个诚实的收集人节点。

02 通用性

2.1 IBC

IBC 被设计为一种通用的消息传递协议。这意味着任何形式的数据（FT 和 NFT 转移、治理投票、智能合约调用等）都可以通过 IBC 进行通信。

通过 IBC 中继的数据包可能包含不同的信息，具体取决于它所服务的应用场景。对于资产转移场景，数据包包含有关其类型、数量、发送方和接收方地址的信息。对于跨链治理场景——链 A 上的账户可以为链 B 上的提案投票——数据包包含投票信息。对于「跨链帐户」管理场景，数据包包含所传递消息类型的相关信息。通过 IBC 发送的数据包还可以包含有关某个验证人集的构成及其投票权重（voting power）的信息。这是 IBC 为跨链安全执行的功能之一（用于实现跨链安全的特定 IBC 级协议称为「跨链验证」）。

了解「跨链账户」功能：

https://interchain-io.medium.com/welcome-to-the-ibc-gang-lets-talk-f469883e0ffe

几乎所有上述 IBC 的应用都由使用 IBC 网关服务的各种跨链原生产品实现。例如，Osmosis 和 Crescent 网络都拥有利用 IBC 进行跨链资产转移的去中心化应用平台。Quicksilver 协议是 Cosmos 链通过跨链账户功能实现在单一平台内为不同链上的提案进行投票的实例之一。Osmosis 和 Quicksilver 也准备成为首批应用「跨链安全」功能的链。

2.2 XCM 和 XCMP

鉴于 XCMP 充当传递 XCM 格式消息的传输层（尽管它也可以使用任何其他建议的格式），XCMP 的通用性与 XCM 的通用性密切相关。

XCM 旨在促进不同共识系统之间任意信息的传输。XCM 的主要目标之一是抽象跨共识通信的低层次细节。这带来了一些用例，例如不同区块链上的两个智能合约之间的交互、通过桥接进行的跨链通信，或分片之间的通信。

截至目前，XCM 的用例包括：

传输：以在一条链上销毁资产并在另一条链上铸造等量资产的形式进行资产转移。基于相反逻辑的传输也使用了资产转移应用。

远程转移：类似于「本地链」上的账户可以控制「远程链」上的账户的跨链账户功能。此时，XCM 消息将包含本地和远程帐户信息以及本地链对远程链执行的操作。

平台专有功能：XCM 还旨在允许平行链（或任何基于 Substrate 的链）向其众多 Pallet 模块之一发送远程调用请求，以使用特定特性或功能。

Pallet 模块：

https://wiki.polkadot.network/docs/glossary#pallet

03 可扩展性

3.1 IBC

对于互操作性协议，可扩展性意味着它是否可以在不同的域（不限于区块链）中部署。

虽然 Tendermint 的即时最终性和 Cosmos SDK 提供的模块化特性对于实现 IBC 的账本来说无疑是可取的，但这些特性绝不是必要的要求。IBC 的设计逻辑决定了它与共识无关，并且可以拓展至任何现有共识算法，甚至未来可能发明的共识算法的任意迭代版本。为了连接以太坊等具有概率最终性的区块链，使用了一个称为 peg-zone 的独特代理链（proxy-chain）。Peg zone 支持 IBC 功能，因为它们具有即时最终性，并能够为与其连接的链（在此案例下即为以太坊）建立最终性保证。Gravity Bridge 便是使用这类 peg-zone 来实现以太坊和 Cosmos 生态互操作的区块链之一。

Gravity Bridge：

https://www.gravitybridge.net/

基于 Substrate 的链通过 IBC 进行互连的功能目前正在开发中。这一功能将允许 Polkadot 和 Kusama（Polkadot 的金丝雀网络）上的平行链与通过 IBC 连接的其他链进行通信。Composable Finance 团队为 Substrate IBC pallet 模块的开发做出了贡献，他们也在积极努力将 IBC 引入 NEAR 协议。在 Composable Finance 提供的一系列互操作性工具中，跨链虚拟机（XCVM）是不可或缺的一部分。XCVM 是一个可供开发者部署智能合约的平台，能够与不同平台上的其他智能合约进行通信。XCVM 使用 IBC 和 XCM 作为传输层，以促进去中心化应用（dapp）之间的原生互操作性。

基于 Substrate 的链的 IBC 通信功能开发进展：

https://github.com/octopus-network/substrate-ibc

Kusama：

https://kusama.network/

Composable Finance：

https://www.composable.finance/

NEAR 协议集成 IBC 进展：

https://medium.com/composable-finance/composable-finance-emerging-as-the-first-cross-chain-smart-contracting-l1-4e837b8bd57e

XCVM：

https://paper.composable.finance/#sec:xcvm

IBC 不仅可以连接具有不同共识算法的区块链，还可以连接单机网络（solo machine，即没有共识算法的系统）。例如，使用 IBC 单机网络可以在 Crypto.org 链上推出支持 IBC 的原生资产，而无需搭建与 IBC 连接的区块链。

3.2 XCM 和 XCMP

与通用性类似，XCMP 的可扩展性与 XCM 的可扩展性程度息息相关。XCM 旨在创建可跨任意共识系统的通用消息格式。它的设计目标之一是面向未来产品和向前兼容（forward compatible）。共识不可知性是 XCM 的另一个关键属性。这意味着它的适用范围大于平行链与中继链间，或与平行链间的通信。从理论上讲，XCM 还可以促进采用这种消息传递格式的完全异构区块链之间的交互。

如前所述，现存架构中存在三种使用 XCM 格式的主要传输协议，分别是 XCMP、UMP 和 DMP。这三种协议目前都无法实现 Polkadot 和另一个独立区块链之间的互操作性。目前，只有平行链可以使用 XCMP、UMP 或 DMP 协议实现可互操作性。尽管如此，我们可以想象未来可能会出现一种使用 XCM 格式的传输协议，可以实现 Polkadot 和其他独立区块链之间的通信。

04 用户体验

4.1 IBC

从终端用户的角度来看，IBC 事务是无缝的。用户可以通过多个平台操作 IBC 事务，比如 Crescent 应用。如果用户 Alice 想用手中的资产提供流动性，或将其兑换成其他资产，那么她可以用 Keplr 连接 Crescent 应用，并立即执行这些操作。

Crescent 应用：

https://app.crescent.network/swap

Alice 将资产从 Cosmos Hub 发送到 Crescent 应用的过程就是 IBC 转移，因为资产在 Cosmos Hub 和 Crescent 两个不同的区块链间发生了移动，这一过程的执行时间只需要几秒钟。然而，Alice 并不需要知道 IBC 转移的定义或发起原理。

Tendermint 提供的即时最终性能够确保用户执行的任何 IBC 功能都具有成本效益。在这个例子中，执行事务的费用只有几美分。

跨链账户功能通过 IBC 进一步简化了跨链 UX。它允许链 A（控制链）上的帐户控制链 B（主链）上的帐户。简单来说，这意味着 Alice 可以通过其链 A 账户执行其链 B 账户上的任何功能，包括投票、委托和转移。该功能的原理是在 IBC 数据包中绑定需要执行的事务，然后将该数据包从控制链发送至主链；之后该消息在主链上解绑，并作为本地事务执行。使用跨链账户功能大大减少了切换平台的需要，以及执行特定功能所需的时间。

4.2 XCM 和 XCMP

XCM 已于 5 月 4 日上线，但截至撰写本文时，尚无可用于跨平行链通信的 XCMP 通道。尽管如此，用户仍然可以通过使用 HRMP 在 Moonbeam 和 Acala 之间发送资产来了解 XCMP 传输的工作原理。

XCM 上线详情：

https://thedefiant.io/polkadot-interoperable-multi-chain-ecosystem/

Polkadot 生态中正在进行积极的开发，以在所有平行链中集成 XCM 。最近 Moonbeam 上的首个 XCM 集成已经完成部署。Moonbeam 上的用户现在可以将他们的Polkadot 原生资产从中继链转移到 Moonbeam，并在生态内兼容 EVM 的 dapp 上使用。

Moonbeam 首个 XCM 集成案例：、

https://moonbeam.network/announcements/moonbeam-adds-xcdot/

目前 XCM 的另一个活跃功能是中继链和 Acala 之间的 FT 转移。随着 Acala 推出其流动性委托产品，用户现在可以将其资产从中继链发送到 Acala，并进行流动性委托。Acala 平台拥有直观、简洁的用户界面，用于桥接、参与治理、获得流动性贡献奖励等事务。通过 XCM 进行的跨链转移事务可在几秒钟内完成，且费用通常不到一美元。

Acala 应用：

https://apps.acala.network/home

05 开发者工具

5.1 IBC

Cosmos 生态中个人用户可用的软件工具包括高吞吐量 BFT 共识引擎（Tendermint Core）、用于搭建状态机的模块化框架（Cosmos SDK），以及通过 IBC 将区块链与其他数据系统无限互连的任何工具。从 2017 年开始，所有这些工具逐渐作为一系列公共产品对外提供。这些产品自首次发布以来，都在根据使用团队的反馈不断地进行迭代。

Tendermint Core：

https://docs.tendermint.com/master/

Cosmos SDK：

https://docs.cosmos.network/

IBC：

https://ibcprotocol.org/

如果您正在使用 Cosmos SDK 搭建应用，那么启用 IBC 非常简单，只需导入 IBC 模块并对代码库进行一些更改即可。您还可以创建自定义的 IBC 应用模块。

启用 IBC 教程：

https://github.com/cosmos/ibc-go/blob/main/docs/ibc/integration.md

创建自定义 IBC 应用模块教程：

https://ibc.cosmos.network/main/ibc/apps.html

在轻客户端和中继器方面，使用 Golang 和 Rust 实现的 Tendermint 轻客户端以及单机网络轻客户端正在生产当中。EVM 和基于 Substrate 的链的轻客户端目前也正在开发中。在中继器方面，使用 Golang 和 Rust 实现的用例十分活跃。

Tendermint 轻客户端：

https://github.com/cosmos/ibc-go/tree/main/modules/light-clients/07-tendermint

单机网络轻客户端：

https://github.com/cosmos/ibc-go/tree/main/modules/light-clients/06-solomachine

EVM：

https://github.com/hyperledger-labs/yui-ibc-solidity

Golang：

https://github.com/cosmos/relayer

Rust：

https://hermes.informal.systems/

除了实现 IBC 功能所需的工具外，Cosmos 生态还为开发人员提供了一套广泛的产品，以构建其主权区块链。例如，使用 Cosmos SDK 搭建的 Ignite CLI 工具（原 Starport）能够帮助开发者在几分钟内启动生产环境就绪的区块链，以及使用内置中继器连接其他 IBC 链等等。

Ignite CLI 命令行工具：

https://docs.ignite.com/

得益于可用工具的质量和可访问性，Cosmos 生态中的开发活动在过去几年中优于其他生态（如下面的 Messari 折线图所示）。chaindebrief 最近发布的一份报告显示，从 2020 年到 2021 年，Cosmos 生态的开发者增长率为 72%，而 Polkadot 为 47%。

chaindebrief 报告：

https://chaindebrief.com/polkadot-vs-cosmos-multi-chain-war/#:~:text=Based%20on%20a%20recent%20Electric,950%20in%20Cosmos%20for%202021.

5.2 XCMP

由 Substrate 和 Cumulus 构成的 SDK（或 PDK，平行链开发工具包）可供开发人员搭建平行链或平行线程（parathread）。与 Cosmos SDK 类似，PDK 大大减少了启动新区块链所需的时间和精力。开发者想要构建基于 Substrate 的链，可以在 Polkadot 生态内进行无缝集成并与其他平行链交互，同时受到中继链的保护。

Substrate：

https://substrate.io/

Cumulus：

https://github.com/paritytech/cumulus

平行线程：

https://wiki.polkadot.network/docs/learn-parathreads

使用 Substrate 应用程序开发区块链可以获得许多现成的功能，例如 P2P 网络、共识层和存储功能。但 Substrate 不提供与 Polkadot 的直接兼容性。为此，作为 Substrate 扩展工具的 Cumulus 可用于搭建平行链，并提供与其他平行链及中继链互连的功能。Cumulus 提供了部署状态转换功能和收集人节点等平行链基本功能所需的必要工具。将来也可以使用 Cumulus 实现 XCMP。

除了 PDK，Polkadot 还为开发人员提供了一系列有用的工具，例如 XCM 模拟器、支持 WebAssembly 智能合约（具有其原生编程语言 ink! ）的 Substrate 合约 pallet 模块、Polkadot API 的专用 CLI 工具，以及支持平行链可以通过中继链进行消息路由交互的 XCM 测试网 Rococo。

XCM 模拟器：

https://github.com/paritytech/polkadot/tree/master/xcm/xcm-simulator/

Substrate 合约 pallet 模块：

https://docs.substrate.io/rustdocs/latest/pallet_contracts/index.html

原生编程语言 ink!：

https://github.com/paritytech/ink

Polkadot API 的专用 CLI 工具：

https://polkadot.js.org/docs/api/start/

Rococo：

https://polkadot.network/blog/rococo-v1-a-holiday-gift-to-the-polkadot-community/