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# 侧链

侧链（Sidechain）协议允许资产在比特币区块链和其他区块链之间互转。这一项目也来自比特币社区，最早是在 2013 年 12 月提出，2014 年 4 月立项，由 Blockstream 公司（由比特币核心开发者 Adam Back、Matt Corallo 等共同发起成立）主导研发。侧链协议于 2014 年 10 月在白皮书《Enabling Blockchain Innovations with Pegged Sidechains》中公开。

侧链诞生前，众多“山寨币”的出现正在碎片化整个数字货币市场，再加上以太坊等项目的竞争，一些比特币开发者希望能借助侧链的形式扩展比特币的底层协议。

简单来讲，以比特币区块链作为主链（Parent chain），其他区块链作为侧链，二者通过双向挂钩（Two-way peg），可实现比特币从主链转移到侧链进行流通。不同侧链的安全假设不同：有的设计尝试用 SPV 证明表达跨链锁定状态，有的实际系统采用联盟或托管式挂钩，用户需要理解其信任模型。

![比特币侧链](/files/-M5y-QGr14aJeTRSxUU8)

侧链可以是一个独立的区块链，有自己按需定制的账本、共识机制、交易类型、脚本和合约的支持等。侧链不能在比特币主链上发行新的 BTC，但可以通过挂钩机制在侧链上流通代表性资产。当比特币在侧链流通时，主链上对应的比特币会被锁定，直到比特币从侧链回到主链。可以看到，侧链机制可将一些定制化或高频的交易放到比特币主链之外进行，实现了比特币区块链的扩展。侧链的核心原理在于能够冻结一条链上的资产，然后在另一条链上产生，可以通过多种方式来实现。这里先讲解 Blockstream 早期白皮书中基于简单支付验证（Simplified Payment Verification，SPV）证明的通用思路；商业化系统 Liquid 使用的是联盟挂钩和 functionary 模型，并非无需信任的主链原生 SPV 双向挂钩。

## SPV 证明

如前面章节所述，在比特币系统中验证交易时，涉及到交易合法性检查、双重花费检查、脚本检查等。由于验证过程需要完整的 UTXO 记录，通常要由运行着完整功能节点的矿工来完成。

而很多时候，用户只关心与自己相关的那些交易，比如当用户收到其他人号称发来的比特币时，只希望能够知道交易是否合法、是否已在区块链中存在了足够的时间（即获得足够的确认），而不需要自己成为完整节点做出完整验证。

中本聪设计的简单支付验证（Simplified Payment Verification，SPV）可以实现这一点。SPV 能够以较小的代价判断某个支付交易是否已经被验证过（存在于区块链中），以及得到了多少算力保护（定位包含该交易的区块在区块链中的位置）。SPV 客户端只需要下载所有区块的区块头（Block Header），并进行简单的定位和计算工作就可以给出验证结论。

侧链协议中，用 SPV 来证明一个交易确实已经在区块链中发生过，称为 SPV 证明（SPV Proof）。一个 SPV 证明包括两部分内容：一组区块头的列表，表示工作量证明；一个特定输出（output）确实存在于某个区块中的密码学证明。

## 双向挂钩

侧链协议的设计难点在于如何让资产在主链和侧链之间安全流转。简而言之，接受资产的链必须确保发送资产的链上的币被可靠锁定。

![侧链双向挂钩的过程](/files/-M5y-QGsB5zjYKwCAGAn)

具体，协议采用双向挂钩机制实现比特币向侧链转移和返回。主链和侧链需要对对方的特定交易做 SPV 验证。完整过程如下：

* 当用户要向侧链转移比特币时，首先在主链创建交易，待转移的比特币被发往一个特殊的输出。这些比特币在主链上被锁定。
* 等待一段确认期，使得上述交易获得足够的工作量确认。
* 用户在侧链创建交易提取比特币，需要在这笔交易的输入指明上述主链被锁定的输出，并提供足够的 SPV 证明。
* 等待一段竞争期，防止双重花费攻击。
* 比特币在侧链上自由流通。
* 当用户想让比特币返回主链时，采取类似的反向操作。首先在侧链创建交易，待返回的比特币被发往一个特殊的输出。先等待一段确认期后，在主链用足够的对侧链输出的 SPV 证明来解锁最早被锁定的输出。竞争期过后，主链比特币恢复流通。

## 最新进展

侧链技术最早由 Blockstream 公司进行探索，2015 年发布 Liquid 原型和测试网络相关工作；生产版 Liquid Network 的首个区块生成于 2018 年 9 月 27 日 1:29 UTC，并于 2018 年 10 月对外宣布上线。

Liquid 的信任模型不同于比特币主链 PoW。Liquid 由 Liquid Federation 的一部分成员运行 functionaries；这些 functionaries 负责轮流提议并签名新区块，并管理 BTC/L-BTC 双向挂钩和联盟多签钱包。因而，Liquid 提供更快确认和资产发行等能力，但用户需要信任联盟门限、硬件安全模块和成员治理能够按规则运行。

基于一年多的探索，Blockstream 于 2017 年 1 月发表文章《Strong Federations: An Interoperable Blockchain Solution to Centralized Third Party Risks》，被称为对侧链早期白皮书的补充和改良。白皮书中着重描述了联合挂钩（Federated Pegs）的相关概念和应用。

此外，还有一些其他公司或组织也在探索如何合理地应用侧链技术，包括 ConsenSys、Rootstock、Lisk 等。