Page 160 - 《软件学报》2026年第6期

吕永阳 等: XCMP 协议的形式化验证与改进: 提升跨链交互安全性 2479

外, XCMP 具有极强的可扩展性, 能够支持未来更多不同类型的区块链互联互通 [14,15] . 因此, XCMP 在跨链技术领
域的影响力不断扩大, 推动了区块链技术的进一步发展.
通过一个实际案例可以说明 XCMP 在跨链场景中的应用. 例如, 在一个去中心化金融平台中, 假设用户 A 需
要将资产从平行链 A 转移到平行链 B, 以参与一个高收益的流动性挖掘项目. 那么用户 A 在平行链 A 上发起一笔
资产转移请求, 将 100 单位的代币发送到平行链 B. 该请求通过 XCMP 协议发送, 并包含必要的交易信息和用户
签名. 然而, 历史上由于协议设计缺陷、实施不当或部署错误, 导致了多起重大安全事件, 造成了巨大的经济损失.
据统计, 价值超过 10 亿美元的资产被窃取或锁定在区块链系统中 [20] . 例如, 由于智能合约的漏洞, Poly Network [23]
损失了约 6 亿美元, 而 Wormhole [24] 也遭受了超过 3 亿美元的盗窃. 这些事件不仅给用户带来了巨大的损失, 也动
摇了公众对跨链技术的信任.
对于 Polkadot 平台, XCMP 协议的安全同样至关重要, 因为它确保了跨链消息的传输是可信的、有序的, 并且
不会被篡改或丢失. 目前, XCMP 协议处于不断发展和完善的阶段, 面临着重放攻击、拒绝服务攻击、延迟攻击等
问题. XCMP 的安全性将直接影响到整个生态系统的稳定性和吸引力. 因此, 完善 XCMP 协议和保证其安全性, 在
保障 Polkadot 平台的互操作性、增强用户体验、提升去中心化应用的可组合性等方面具有至关重要的意义, 并能
有效推动区块链向创新型应用发展.
形式化方法是借助数学方法建立数学模型并进行模型验证的方法, 可以对模型满足的性质提供严格的保证 [25] .
利用形式化方法, 开发人员发现并改进协议漏洞, 进而保证跨链通信协议正确性和安全性. 在利用形式化方法研究
和实现 XCMP 协议时, 主要面临以下 3 个挑战.
(1) XCMP 协议的核心在于跨链消息传递, 这需要对多个平行链的状态进行精确协调. 每个平行链有独立的状
态和数据结构, 确保消息在不同链之间的一致性与可靠性至关重要. 例如, 当一个平行链发送消息到另一个链时,
必须准确同步其状态, 以防止因时序错误而导致的数据丢失或冲突. 这种状态管理不仅增加了 XCMP 协议的复杂
性, 还要求其具备高效的错误处理机制, 以应对实际操作中可能出现的异常情况.
(2) 对 XCMP 协议进行形式化建模是一项复杂的任务, 主要由于其涉及的多层次和多维度特性. 研究者需要
考虑多个平行链的独立性及其之间的交互, 而这通常涉及复杂的状态空间和操作模式. 此外, XCMP 协议的动态性
和依赖性增加了建模的挑战, 如何准确捕捉协议的行为特征和安全属性, 要求研究者在抽象与具体之间找到合适
的平衡. 因此, 构建一个全面、准确的模型以验证 XCMP 协议的性质和功能是一项不小的挑战.
(3) 跨链通信引入了多种安全风险, 例如重放攻击等. 由于多个平行链之间的相互依赖, 任何一链的安全漏洞
都有可能影响整个网络的安全性. 因此, 对 XCMP 协议的安全性进行全面分析, 要求研究者深入了解潜在的攻击
模式和防御机制. 然而, 现有文献中往往缺乏足够的实例和测试数据, 导致难以验证协议在不同环境下的安全性,
从而增加了研究的难度.
基于这些挑战, 本文使用 Z 语言的形式化方法来检测和提升跨链通信协议 XCMP 的安全性和可靠性. 对于处
于不断发展和完善阶段的 XCMP 协议, 首先, 总结提炼 XCMP 协议流程与安全目标, 利用 Z 语言对该协议进行形
式化建模, 利用支持 Z 语言的自动化验证工具 Z/EVES 来检测潜在错误并发现 3 个未满足要求的安全目标. 其次,
针对 Z/EVES 所检测出的安全漏洞, 对 XCMP 协议的实体功能进行扩展, 并引入承诺机制、监督机制和轮询机制,
提出了 E-XCMP (enhanced cross-chain message passing) 协议. 最后, 为了评估该协议的可行性和有效性, 利用
Scyther 和 Z/EVES 对其进行形式化建模和安全性分析. 验证结果表明, 我们成功解决了 3 个安全目标存在的问题,
并证明出 E-XCMP 满足多个安全属性. 通过对 XCMP 协议的不断发展和完善, Polkadot 网络的跨链能力将进一步
提升, 为构建更加复杂和功能丰富的去中心化应用提供强大支持. 本文的研究工作及贡献主要包含以下方面.
(1) 对 XCMP 的安全目标进行形式化建模. 本文总结提炼并使用 Z 语言形式化解释 XCMP 协议所期望满足
的安全目标 [26] , 同时利用 Z/EVES 工具 [27] 进行严格的验证. 通过构建 XCMP 协议的数学模型, 本文明确地表达了
其在平行链、消息队列等方面的 10 条安全目标, 并使用 Z/EVES 进行逻辑推理和证明, 以确保这些目标在协议的
实现中得到满足. 安全目标的形式化解释能够帮助开发人员和用户更好地理解 XCMP 协议.
(2) 对 XCMP 协议进行形式化建模和安全性分析. 基于 Polkadot 平台的架构, 本文利用 Z 语言在 Z/EVES 中
对 XCMP 所涉及实体和跨链消息传递过程进行建模, 着重研究分析 XCMP 协议实体的不诚实行为所引发的安全