区块链互操作白皮书可信区块链推进计划2020年7月（1.0版） 版权声明本白皮书版权属于可信区块链推进计划，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本白皮书文字或者观点的，应注明“来源：可信区块链推进计划”。违反上述声明者，可信区块链推进计划将追究其相关法律责任。 《区块链互操作白皮书（1.0版）》编写委员会牵头编写单位：中国信息通信研究院参与编写单位（排名不分先后）： 深圳前海微众银行股份有限公司、百度（中国）有限公司、杭州趣链科技有限公司腾讯云计算（北京）有限责任公司、西安纸贵互联网科技有限公司上海分布科技信息有限公司、联动优势科技有限公司编写组主要成员（排名不分先后）：何宝宏、魏凯、庞伟伟、和涛、刘虹男、张启、张奕卉、张开翔、李辉忠、莫楠、程司雷、刘尧、陈晓丰、吴方洲、郑佩玉、汪小益、李佳、敖萌、陈昌、樊家合、史磊、杨文韬、胡凝、刘胜、赵树伟、王琦、刘毅。 区块链互操作白皮书（1.0版)2前言区块链具有多方共识、分布式存储、难以篡改、可追溯的特性，在促进数据共享、优化业务流程、降低运营成本、提升协同效率、建立可信体系等方面具有广阔的应用前景，政务、金融、司法、供应链管理等领域的区块链应用探索如火如荼。然而，当前正处在区块链技术百花齐放的阶段，不同行业的应用系统选择的底层区块链技平台各异，这些平台在数据结构、共识机制、通信协议等方面千差万别，导致生态割裂，网络碎片化严重，这将制约区块链在全社会的大规模应用。一是难以实现不同区块链系统间的跨链互通。区块链跨链互通不仅涉及数据的互通，还需实现身份互认、共识转换和治理协同，然而不同系统在这些方面实现方案的不同，加剧了跨链互通的难度，导致“链级孤岛”问题日益突出，极大限制了区块链网络规模的扩大。二是难以实现应用在不同底层链之间的平滑切换。应用开发者、参与方管理员、系统管理员通过底层链提供的相关接口使用底层链功能，而不同底层链提供的接口互不兼容的现实，使得应用无法在不同底层链之间平滑迁移，导致应用被底层链锁定。三是难以保证链上链下数据的可信交互。通常，链上应用的正常运转离不开链下数据的支撑和触发，如跨境贸易结算场景中的汇率数据通常需要从链下获取。链上链下交互过程中需从数据来源可信、传输可信、计算可信三方面保证数据的可信性，但当前尚缺乏规范的数据可信交互方案。本白皮书凝聚了可信区块链推进计划成员单位的初步共识，界定了区块链互操作的概念，提出了区块链互操作的参考框架；从应用层互操作、链间互操作、链下数据互操作三个方面分析了互操作的基本需求；通过对目前业界已经提出的互操作技术方案的广泛调研，总结了互操作的技术现状，对其中的关键问题进行梳理，并提出了相关的演进方向。我们希望以本白皮书为起点，团结更多力量参与到区块链互操作研究和推动工作中，凝聚广泛共识，形成更大合力，聚链成网，共同构建广泛互联的可信区块链生态体系。 3一、概述 4二、互操作概念与框架 6（一）互操作概念 6（二）区块链互操作框架 8 1.应用层互操作 9 2.链间互操作 10 3.链下数据互操作 11三、应用层互操作 13（一）需求分析 13（二）互操作现状 15（三）互操作建议 16 1.业务开发 16 2.参与方管理 17 3.系统管理 17（四）演进方向 17四、链间互操作 18（一）需求分析 18（二）互操作现状 19（三）互操作建议 20 1.接入规则 21 2.通信协议 22 3.数据互信 22 4.跨链治理 23（四）演进方向 23五、链下数据互操作 24（一）需求分析 24（二）互操作现状 24 1.数据预言机 25 （1）中心化预言机 25 （2）去中心化预言机 26 2.计算预言机 26（三）互操作建议 27 1.数据可信 27 2.隐私保护 28 3.安全监管 28（四）演进方向 29六、总结与展望 30 参考文献 31目录 区块链互操作白皮书（1.0版)区块链作为一种分布式账本技术，以其多方共识、去中心化存储、难以篡改等特点，可在不同参与方之间快速建立信任关系，促进缺乏信任基础的各方高效协同工作。随着区块链技术的演化成熟，民众对区块链认知程度的不断提升，区块链逐渐在金融科技、政务民生、司法仲裁、供应链协同、税务发票、版权保护等领域得到广泛应用，为各行各业赋能增效[1]。发展区块链的愿景是形成一个连接各方的可信网络，连接的成员越多，其网络价值越大；区块链上的应用越灵活，其生态越繁荣；链上数据越丰富，其信用放大作用越明显。但当前各行业均按照自身需求构建起区块链生态，而由于行业早期技术先行、标准滞后，导致生态割裂，不同区块链系统难以实现互联互通，具体表现在以下三个方面：第一，区块链跨链互通涉及数据互通、身份互认、共识转换和治理协同多重因素，不同区块链系统在通信协议、身份管理、共识机制和治理方案方面技术路线各不相同的现实，增加了跨链互通的难度，导致“链岛”问题日益突出。第二，区块链系统通过接口将所支持的功能暴露给应用开发者、参与方管理员、系统管理员，而不同底层链所提供的接口千差万别、互不兼容的现实，增加了应用与底层链对接适配、切换适配的工作量与工作难度。第三，通常，链上合约的执行需要链下数据的触发，如跨境结算中的汇率数据需要从链下获取，在链上链下数据交互过程中，尚缺乏规范的数据可信交互方案的现实限制了链上数据的丰富程度，限制了区块链的应用范围。互操作问题引起了国内外产业界各方的高度关注。政府层面，美国国土安全部（Department of Homeland Security，DHS）设立区块链项目，聚焦于区块链安全性、互操作性、隐私保护三个方面的研究[2]。欧盟报告[3]指出，跨链互通是区块链的必然趋势，建议政府出台相关措施支持基础设施项目研究。德国联邦政府鼓励初创企业、中小企业、民间组织及开发者积极参与到区块链相关标准的制定工作中，共同解决区块链互操作的难题[4]。行业组织层面，ITU（International Telecommunication Union，国际电信联盟）、IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，电气电子工程师协会）、ISO（International Organization for Standardization，国一、概述4 际标准化组织）、EEA（Enterprise Ethereum Alliance，企业以太坊联盟）、EBP（European Blockchain Partnership，欧洲区块链合作组织）[5]，以及CCSA（China Communications Standards Association，中国通信标准化协会）和TBI（Trusted Blockchain Initiatives，可信区块链推进计划）等组织纷纷投入到区块链互操作相关标准制定中。企业层面，国外的Microsoft、IBM、SAP、Oracle等巨头纷纷推出了相应的跨链互操作方案，支持Hyperledger Fabric[6]、Corda[7]、Ethereum[8]、Quorum[9]等区块链平台跨链互操作[4]；国内的微众银行、蚂蚁金融、百度、趣链科技、纸贵科技等企业也纷纷推出WeCross[10]、ODATS[11]、BCP[12]、BitXHub[13]、Zeus[14]等互操作解决方案。此外，行业还出现了一批以Cosmos[15]、Polkadot[16]为代表的开源互操作项目。区块链互操作已成为行业关注焦点，但关于互操作的定义和内涵尚未形成共识。本白皮书通过对互操作的研究，给出区块链互操作概念，明确互操作范围边界，梳理不同部分需要解决的关键问题，给出区块链互操作参考框架。在上述区块链互操作框架的基础上，对当前产业界已有的各种互操作技术方案进行梳理分析。5 区块链互操作白皮书（1.0版)（一）互操作概念互操作性英文为Interoperability，是Interaction、Operation和Ability的组合，可译为“相互操作的能力”，简称互操作性。维基百科对互操作性给出解释：互操作性又可称之为互用性或协同能力，是指不同系统和组织机构之间相互合作，协同工作的能力[17]。IEEE（Institute of Electrical & Electronic Engineers，电气与电子工程师协会）于1990年对互操作性给出定义：两个或多个系统或组成部分之间交换信息，以及对所交换的信息加以使用的能力[18]。这一概念包含语法互操作性和语义互操作性两部分：语法互操作性是指具备语法协同的能力，以数据通信为例，即通信双方在数据格式、通信协议、接口描述等方面保持一致，如XML和SQL；语义互操作性是指两个或多个计算机系统以语法互操作性为基础，进行数据通信，并对通信数据加以使用。各方对区块链互操作有不同的认识。WEF（World Economic Forum，世界经济论坛）和德勤认为，区块链互操作聚焦于不同链系统之间资产和信息的交互，实现方式包括跨链验证、预言机和API网关三种[5]。以太坊创始人Vitalik Buterin认为跨链即为互操作，并提出了公证人机制、侧链/中继链、哈希时间锁定三种跨链互操作技术[19]。埃森哲公司的David等人指出，区块链互操作是分布式账本系统能够与多个DLT系统，以及DLT多个子系统之间互联互通的能力[20]。不同区块链互操作技术方案的着眼点也不尽相同。Settler[21]、WeCross、BitXHub等项目致力于解决跨链互操作等关键技术问题。腾讯云TBaaS、蚂蚁区块链BaaS、飞洛BaaS等区块链即服务平台致力于解决上层应用与底层链互操作与跨链互操作两类问题。Oraclize[22]、ChainLink[23]等区块链数据服务项目致力于解决链上链下的数据流通问题。综上所述，业界对区块链互操作的认识分为狭义和广义两种。其中，狭义的互操作是指跨链互操作，广义的互操作除了跨链互操作，还包含应用层与底层链交互、链上链下交互两方面。本白皮书认为，区块链互操作是指：区块链系统实例与其他系统实例交换信息，并对所交换信二、互操作概念与框架6 息加以使用的能力。其中，其他系统实例指该区块链系统实例以外的所有外部系统实例，具体包括上层应用系统、其它链系统、以及链下数据系统等，如图1所示。此外，还包括系统不同实例之间的互操作。 图1. 区块链互操作示意图根据上述定义，区块链互操作包括应用层互操作、链间互操作和链下数据互操作三方面。（1）应用层互操作：是指上层应用系统实例与底层区块链系统实例之间交换信息，并对所交换信息加以使用的能力。具体包含两层含义：1）不同应用之间通过底层链实现数据流通与价值共享；2）上层应用系统实例与底层区块链系统实例之间的对接交互。本白皮书重点描述后者，即聚焦于接口规范化工作，促进不同区块链系统接口的相互兼容，简化上层应用与底层链之间适配对接工作。（2）链间互操作：是指不同区块链系统实例之间交换信息，并对所交换信息加以使用的能力，也可称之为跨链。主要表现在不同区块链系统实例之间进行信息交互的过程，包括同构链互操作和异构链互操作。（3）链下数据互操作：是指区块链系统实例和链下的数据系统之间交换信息，并对所交换信息区块链互操作白皮书（1.0版)上层应用Chain A11332金融类应用政务类应用工业类应用其它应用链下数据金融数据政务数据工业数据其它数据Node 1Node 2Node 3Chain BNode 1Node 2Node 37 加以使用的能力。主要表现在区块链系统和外界数据系统之间进行安全交互的过程。（二）区块链互操作框架本白皮书明确了区块链互操作的边界范围，梳理了区块链互操作中的关键问题，给出区块链互操作的参考框架，如图2所示。 图2. 区块链互操作框架区块链互操作根据应用场景可分为三类：1）应用层互操作用于解决上层应用和底层区块链之间