web3跨链桥协议-Nomad

项目介绍

Nomad是一个乐观跨链互操作协议。通过Nomad协议，Dapp能够在不同区块链间发送数据（包括rollups），Dapp通过Nomad的合约和链下的代理对跨链数据、消息进行验证、传输。其安全通过乐观验证机制和欺诈证明制约验证者实现，保证Nomad协议的安全性

市场情况

2022年4月13日，Nomad以2.25亿美元估值完成高达2200w美元种子轮融资，Polychain领投

重要事件

2022年8月2日，Nomad跨链桥被盗超过1.9亿美元

核心技术价值

• 跨链客户端中消息组织为Merkel Tree，方便提供欺诈证明
• 不需要对交互链的区块头进行中转，降低跨链代价
• 部署、重用方便
• Home、Replica的设计思想值得借鉴，但实现和文档描述不一致

竞品分析

项目技术原理

组成组件

• 链上合约：
  • Home合约，部署在所有链上，为所有Dapp发出跨链消息
  • Replica合约，部署在所有链上，为Dapp接收Home合约发出的跨链消息
  • XAppConnectionManager合约，管理上述合约注册、Watcher提供欺诈证明等
     
• 链下代理：
  • Updater，观察Home合约发出的消息事件，对消息树证明进行签名，并再发布消息树证明到Home合约中，（都是源链Home合约）
  • Watcher，观察Updater与Home合约的交互行为，对恶意行为进行监督并提供欺诈证明
  • Relayer，中转消息树更新到目的链的Replica合约中，为该消息树根开启挑战期
  • Processor，根据过了挑战期的消息树根，为跨链消息提供的对应的Merkel proof，证明跨链消息的有效性，并发起目的链调用

整体架构

跨链流程如下

源链Chain A上：

1、Dapp向跨链桥发起调用

2&3、跨链桥调用底层协议dispatch()发出跨链消息事件，同时跨链消息也会被添加到Home合约的消息树中

链下：

4、Updater监听到下Home合约的消息树更新事件，对更新的新的树根和上一次保存的树根进行签名，即<oldroot, newroot, sig>，该签名作为树累加消息的更新证明被提交到Home合约中

5&6、Relayer检测到Updater提交的签名发出更新事件，将树根的签名中转到目的链Replica合约，开启挑战期

目的链Chain B上：

7、Processor根据Relayer中转的签名，在挑战期内观察，若提交的签名与消息树更新过了挑战期，则说明消息树更新有效

8、Processor发起目的链调用，并提交跨链消息对应消息树的Merkel proof，根据消息树更新的树根和Merkel Proof验证跨链消息，最终完成跨链消息调用

Watcher行为：在Nomad协议中，Watcher主要观察Home合约内消息树的的更新是否有效，若存在问题则直接在跨链协议中终止Replica合约接收跨链消息。（代码层面没有体现欺诈证明的验证）

合约架构

上述为Nomad协议的合约架构，其中协议的核心是Home、Replica合约。

Home合约：

Home合约管理着由消息组成的Merkel Tree状态和树根的队列queue，该队列保存了每次向Merkel Tree添加消息而引起的树跟的变化。并且Updater通过update()方法会向Home合约提交两次相邻变化的消息树树根的签名，作为跨链消息引起消息树变化的证明，即<oldroot, newroot, sig>的形式，当签名验证通过是newroot会被认为是有效的，能够被用来进行跨链消息验证。

Replica合约：

Replica合约负责消息树树根变化的签名信息<oldroot, newroot, sig>，该消息会被Relayer中转到目的链，并且辅助验证跨链消息。跨链消息即，每次更新消息树的树根的负责发出跨链消息和跨链消息树根的Updater签名证明。最终Processor通过proveAndProcecss()方法提交跨链消息和对应的Merkel proof进行目的链验证和调用目的链合约。

XAppConnectionManager合约：

负责管理当前链上的Replica合约和远程链上的合约（与Replica接收端相对应Home发送端）；同时接收Watcher的签名并对有问题的Home合约对应的Replica合约进行接收消息终止，保证跨链业务的安全。

安全

跨链消息验证

在Nomad协议中，Home合约和Replica合约相当于跨链消息的发送端和接收端，XAppConnectionManager负责管理二者，二者在服务于跨链流程时成对出现。

而Updater需要向Home提交消息树树根的签名作为跨链消息在消息树中存在的证明，该签名会在源链上和目的链上被验证，目的链上验证则是帮助验证跨链消息是否在消息树中。

核心：将跨链交易在区块中的存在性证明，转变为在交易树中的证明，但是需要链下的签名保证传递到目的链的消息树树根正确性。因此，引入了链下节点的签名来作为见证，但也是由此，该签名由链下Updater产生，消息树的正确性最终就委托到了链下的签名者身上，有一定的中心化风险。虽然官方文档中描述Updater是去中心化的，但是目前在合约中并没有体现，而是每个Home合约只绑定一个Updater。

欺诈证明

在源链的Home端为了保证链下的Updater不作恶，可以通过两种方式检测到Updater的恶意行为。

检测欺诈证明提供的两种方式：

1）在Updater提交对消息树根的签名时，检查是否Updater提交了不在树根队列中的错误的根

2）任何人可以通过提交两个新的矛盾的树根和签名，证明Updater曾经对两个树根进行签名

但Nomad协议中，并未给出具体的如何惩罚Updater的行为，或者一些经济行为的惩罚，这部分应该是交给了上层桥的开发者实现。

另外，在目的链上Replica中为每个被中转的消息树及证明设定了挑战期。由于目的链上不能感知到源链上哪一个消息树的树根是正确的，因此引入了Watcher来进行监督。若在挑战期内，任何诚实的Watcher发现Home合约和Updater交互出错，Watcher有权利直接通过XAppConnectionManager终止Replica合约接收跨链消息，阻止跨链消息在目的链被处理。Watcher并不需要提供任何证明，因为目的链上当前的实现中不跟踪每一个消息树的树根更新记录，也无法提供证明。

思考

1）Watcher不是去信任的，由于当前的Nomad设计中Replica上没有跟踪消息树更新，Watcher无法提供欺诈证明，Watcher需要在合约中经过许可才能进行管理、监督

2）Replica合约应该增加记录消息树更新的状态，以便能够在目的链端进行欺诈证明的检测

参考资料

官方文档：Funds Recovery | Nomad Docs

github：GitHub - nomad-xyz/monorepo: Nomad Monorepo -- SDKs, Contracts, and more!