區(qū)塊鏈作為一種分布式賬本技術(shù)，以其多方共識(shí)、分布式存儲(chǔ)、難以篡改等特點(diǎn)，在促進(jìn)數(shù)據(jù)共享、提升協(xié)同效率、建立可信體系方面具有廣闊的應(yīng)用前景，已在金融科技、政務(wù)民生、司法存證、供應(yīng)鏈協(xié)同、稅務(wù)發(fā)票、版權(quán)保護(hù)等領(lǐng)域得到一定程度的應(yīng)用[1]。但隨著區(qū)塊鏈在各行各業(yè)應(yīng)用廣度和深度的不斷拓展，不同鏈系統(tǒng)之間互操作難、上層應(yīng)用與底層鏈對(duì)接切換難、鏈上鏈下可信交互難的問題日益突出，以上問題在一定程度上限制了區(qū)塊鏈的應(yīng)用范圍，阻礙了區(qū)塊鏈的發(fā)展。為解決以上問題，區(qū)塊鏈互操作逐漸成為行業(yè)焦點(diǎn)。
一、區(qū)塊鏈行業(yè)現(xiàn)狀
自比特幣誕生以來，區(qū)塊鏈已經(jīng)過十余年的發(fā)展，已在金融科技、政務(wù)民生、司法存證、供應(yīng)鏈協(xié)同、稅務(wù)發(fā)票、版權(quán)保護(hù)等領(lǐng)域得到一定程度的應(yīng)用，但大多屬于邊緣業(yè)務(wù)，以探索試點(diǎn)為主，應(yīng)用深度和廣度不足。為什么會(huì)這樣？是什么阻礙了區(qū)塊鏈的發(fā)展進(jìn)程？
首先，用戶覺得區(qū)塊鏈“難”。“難”表現(xiàn)在兩個(gè)方面：1）認(rèn)識(shí)層面的難，區(qū)塊鏈?zhǔn)且豁?xiàng)綜合了密碼學(xué)、P2P網(wǎng)絡(luò)、共識(shí)機(jī)制、智能合約的復(fù)雜技術(shù)，概念抽象，普通用戶難以在短時(shí)間內(nèi)消化吸收；2）工程層面的難，用戶好不容易了解了區(qū)塊鏈?zhǔn)鞘裁?，?shí)際應(yīng)用中，不同底層鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、共識(shí)機(jī)制、接口實(shí)現(xiàn)等方面各不相同、互不兼容的現(xiàn)實(shí)，增加了用戶學(xué)習(xí)預(yù)研、研發(fā)實(shí)施、運(yùn)維升級(jí)的工作量與工作難度；尤其是用戶直接交互的接口層面的不一致，大大增加了應(yīng)用與不同底層鏈對(duì)接適配、切換適配的工作量。
其次，技術(shù)成熟度不夠。2014年以太坊的誕生，完成了區(qū)塊鏈5大核心技術(shù)（密碼算法、P2P網(wǎng)絡(luò)、共識(shí)機(jī)制、智能合約、賬本數(shù)據(jù)庫）拼圖，區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)基本“可用”，但不夠“好用”。隨后，各區(qū)塊鏈平臺(tái)紛紛發(fā)力以解決“好用”問題，如升級(jí)密碼算法，提升安全性；優(yōu)化共識(shí)機(jī)制，提升共識(shí)效率；研發(fā)新的合約系統(tǒng)，提升圖靈完備性、強(qiáng)化合約安全、降低合約編寫門檻等。區(qū)塊鏈技術(shù)的快速迭代升級(jí)，提升了區(qū)塊鏈的“好用”程度，但也給行業(yè)帶來了“區(qū)塊鏈技術(shù)不夠成熟”的印象，加上部分鏈系統(tǒng)升級(jí)后不能兼容舊版本的問題，加劇了鏈系統(tǒng)使用方觀望跟蹤為主，落地實(shí)踐為輔的的現(xiàn)象。
最后，應(yīng)用場(chǎng)景有限。相對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通的便利性、生態(tài)的繁榮性，區(qū)塊鏈應(yīng)用生態(tài)則相對(duì)單薄，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：1）不同鏈間互聯(lián)互通難導(dǎo)致行業(yè)面臨“鏈級(jí)孤島”的困境，“孤島”問題限制了區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)邊界與應(yīng)用范圍；2）鏈上鏈下可信交互難，導(dǎo)致鏈上數(shù)據(jù)不夠豐富，限制了區(qū)塊鏈應(yīng)用范圍。
因此，為了促進(jìn)區(qū)塊鏈的發(fā)展，首先需要從認(rèn)識(shí)和工程層面降低區(qū)塊鏈的應(yīng)用門檻，強(qiáng)化區(qū)塊鏈的易用性、通用性；其次需要加強(qiáng)區(qū)塊鏈核心技術(shù)研究，加速技術(shù)成熟期的到來；最后需要解決好不同鏈之間互聯(lián)互通難和鏈上鏈下可信交互難的問題，拓展應(yīng)用邊界，豐富產(chǎn)業(yè)生態(tài)，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模價(jià)值和數(shù)據(jù)匯聚價(jià)值的釋放。針對(duì)以上問題，以跨鏈互通為代表的互操作技術(shù)逐漸成為了行業(yè)焦點(diǎn)。
二、什么是區(qū)塊鏈互操作？
1．什么是互操作性？
互操作性英文為Interoperability，是Interaction、Operation和Ability三個(gè)單詞組合而成，即“相互操作的能力”，簡(jiǎn)稱互操作性。維基百科認(rèn)為：互操作性又可稱之為互用性或協(xié)同能力，是指不同系統(tǒng)和組織機(jī)構(gòu)之間相互合作，協(xié)同工作的能力[2]。IEEE（Institute of Electrical & Electronic Engineers，電氣與電子工程師協(xié)會(huì)）在1990年給出互操作性定義：兩個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)或組成部分之間交換信息，以及對(duì)所交換的信息加以使用的能力[3]。
2. 什么是區(qū)塊鏈互操作？
以維基百科和IEEE關(guān)于互操作性的定義為基礎(chǔ)，行業(yè)出現(xiàn)了對(duì)區(qū)塊鏈互操作的不同認(rèn)識(shí)。以太坊創(chuàng)始人Vitalik Buterin認(rèn)為跨鏈即為互操作[4]；WEF（World Economic Forum，世界經(jīng)濟(jì)論壇）和德勤認(rèn)為，區(qū)塊鏈互操作聚焦于不同鏈系統(tǒng)之間資產(chǎn)和信息的交互[5]；埃森哲公司的David等人認(rèn)為，區(qū)塊鏈互操作是分布式賬本系統(tǒng)能夠與多個(gè)DLT系統(tǒng)，以及DLT多個(gè)子系統(tǒng)之間互聯(lián)互通的能力[6]；可信區(qū)塊鏈推進(jìn)計(jì)劃認(rèn)為，區(qū)塊鏈互操作是指區(qū)塊鏈系統(tǒng)實(shí)例與其他系統(tǒng)實(shí)例交換信息，并對(duì)所交換信息加以使用的能力[7]。
相對(duì)于跨鏈即為互操作的狹義認(rèn)識(shí)，可信區(qū)塊鏈推進(jìn)計(jì)劃將區(qū)塊鏈互操作的內(nèi)涵廣義化，認(rèn)為區(qū)塊鏈互操作應(yīng)該包含用于解決上層應(yīng)用與底層鏈緊耦合問題的應(yīng)用層互操作，用于解決“鏈級(jí)孤島”的鏈間互操作，以及用于解決鏈上鏈下安全可信交互的鏈下數(shù)據(jù)互操作三個(gè)方面。該定義準(zhǔn)確的把握了區(qū)塊鏈行業(yè)所面臨應(yīng)用與不同底層鏈對(duì)接切換難、不同區(qū)塊鏈系統(tǒng)之間跨鏈互通難、鏈上鏈下可信交互難的三大問題。以該定義為基礎(chǔ)，分析區(qū)塊鏈互操作技術(shù)框架。
三、區(qū)塊鏈互操作框架
圖1. 區(qū)塊鏈互操作框架
如圖1所示，區(qū)塊鏈互操作包括應(yīng)用層互操作、鏈間互操作、鏈下數(shù)據(jù)互操作三個(gè)部分。
1. 應(yīng)用層互操作
應(yīng)用層互操作主要解決上層應(yīng)用與底層鏈對(duì)接難、切換難的問題。而當(dāng)前對(duì)接難、切換難的根本原因在于不同底層鏈所提供的接口不一致，包括接口實(shí)現(xiàn)方式、接口定義的不一致等。通過對(duì)部分鏈系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)方式的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)不同鏈系統(tǒng)差異中存在交集，如表1所示，有共性就有規(guī)范統(tǒng)一的可能，因此可從接口標(biāo)準(zhǔn)化方向入手。如果說區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫如MySQL、SQLServer、Oracle等利用ODBC、JDBC完成了對(duì)不同數(shù)據(jù)庫接口的標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)了上層應(yīng)用對(duì)底層數(shù)據(jù)庫的平滑切換。同理，應(yīng)用層互操作也可考慮用中間件的形式解決不同鏈接口不一致的問題。接口中間件對(duì)上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化接口，對(duì)下通過適配器完成不同底層鏈原生接口到標(biāo)準(zhǔn)接口的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用對(duì)底層鏈的輕松擴(kuò)展與平滑切換。
表1. 不同區(qū)塊鏈接口實(shí)現(xiàn)方式統(tǒng)計(jì)表
2. 鏈間互操作
區(qū)塊鏈當(dāng)前面臨的“鏈級(jí)孤島”問題，本質(zhì)上是技術(shù)先行、標(biāo)準(zhǔn)滯后的結(jié)果，也是區(qū)塊鏈發(fā)展的必經(jīng)之路。為了解決“鏈島”問題，不同廠商已經(jīng)開展了相應(yīng)的實(shí)踐探索，并推出了相應(yīng)的跨鏈方案，如表2所示。以上跨鏈方案從技術(shù)層面驗(yàn)證了跨鏈互通的可行性，但不同跨鏈方案之間依然存在互操作難的問題。當(dāng)前繁榮的互聯(lián)網(wǎng)在上世紀(jì)70年代也面臨過碎片化、孤島化的問題，隨后出現(xiàn)了一系列以TPC/IP為代表的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，標(biāo)準(zhǔn)引導(dǎo)技術(shù)，技術(shù)適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，最終打破了網(wǎng)絡(luò)孤島，實(shí)現(xiàn)了行業(yè)層面的互聯(lián)互通。相對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)解決數(shù)據(jù)互通，區(qū)塊鏈為了保持“數(shù)據(jù)安全共享，價(jià)值可信流轉(zhuǎn)”的特點(diǎn)，需在數(shù)據(jù)互通的基礎(chǔ)上，還需實(shí)現(xiàn)不同鏈系統(tǒng)間的身份互認(rèn)、共識(shí)轉(zhuǎn)換、以及協(xié)同治理。
表2. 鏈間互操作方案對(duì)比表
3. 鏈下數(shù)據(jù)互操作
區(qū)塊鏈技術(shù)可以保證鏈上數(shù)據(jù)在多個(gè)參與方之間的安全可信流通，但在鏈上鏈下可信交互方面存在難點(diǎn)。而鏈上業(yè)務(wù)的運(yùn)轉(zhuǎn)離不開鏈下數(shù)據(jù)的支持，如跨境結(jié)算場(chǎng)景中的匯率數(shù)據(jù)、溯源場(chǎng)景中的物流數(shù)據(jù)、審計(jì)場(chǎng)景中的身份數(shù)據(jù)等都需要從鏈下世界獲取。區(qū)塊鏈多方共識(shí)、難以篡改的特點(diǎn)對(duì)上鏈數(shù)據(jù)真實(shí)性、可靠性要求較高，因此在鏈上鏈下交互過程中首先要保證上鏈數(shù)據(jù)的可信性，可以從數(shù)據(jù)來源、傳輸過程、計(jì)算過程三個(gè)方面提供可信性保障；其次要重視交互過程中的隱私保護(hù)，包括身份信息、資產(chǎn)信息等關(guān)鍵信息的隱私保護(hù)；最后要保證上鏈內(nèi)容的安全性，在明確鏈的權(quán)責(zé)和上鏈數(shù)據(jù)權(quán)責(zé)問題的基礎(chǔ)上，從事前審查、事后審計(jì)兩方面入手，保證上鏈內(nèi)容的安全性。常見手段包括以O(shè)raclize、Chainlink為代表的預(yù)言機(jī)，TEE（Trusted Execution Environment，可信執(zhí)行環(huán)境），MPC（Secure Multi-Party Computation，安全多方計(jì)算），聯(lián)邦學(xué)習(xí)等。
四、總結(jié)
區(qū)塊鏈互操作難是行業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路，互操作易也是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，在由難到易的過程中充滿挑戰(zhàn)，道阻且長，需要技術(shù)提供方、技術(shù)需求方、標(biāo)準(zhǔn)化組織、監(jiān)管機(jī)構(gòu)等多方的密切協(xié)作，凝聚共識(shí)，共同促進(jìn)區(qū)塊鏈互操作的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1] 中國信息通信研究院，可信區(qū)塊鏈推進(jìn)計(jì)劃. 區(qū)塊鏈白皮書（2019）. 2019.11.[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Interoperability.
[3] Institute of Electrical and Electronics Engineers. IEEE Standard Computer Dictionary: A Compilation of IEEE Standard Computer Glossaries. New York, NY: 1990.(iftikahr).
[4] Vitalik Buterin. Chain Interoperability. 2016.09.09.
[5] World Economic Forum, Deloitte. Inclusive Deployment of Blockchain for Supply Chains: Part 6 – A Framework for Blockchain Interoperability. 2020.04.
[6] David Treat, Luca Schiatti, Giuseppe Giordano, etc. Connecting Ecosystems: Blockchain Integration. 2018.10.22.
[7] 可信區(qū)塊鏈推進(jìn)計(jì)劃. 區(qū)塊鏈互操作白皮書（1.0版）. 2020.07.
作者簡(jiǎn)介：
龐偉偉，中國信息通信研究院云計(jì)算與大數(shù)據(jù)研究所工程師，主要從事區(qū)塊鏈等相關(guān)產(chǎn)業(yè)、標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究工作。
