區(qū)塊鏈擴容方案Plasma介紹

近段時間著名的比特幣投資者Olivier Janssens發(fā)布的推特投票中，Vitalik Buterin表達了其對ERC20 CBDC（央行數(shù)字貨幣）的支持。當被問到有關(guān)延展能力的問題時，Buterin回答，即將到來的Plasma部署能夠解決這類問題，這樣區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)就足以支撐央行需要的容量了。

本期研究院的主題就詳細為大家詳解Plasma擴容方案如何做到支持極高的交易，并且成為行業(yè)內(nèi)最風(fēng)靡的落地技術(shù)方案。

Plasma到底是什么

Plasma是由Joseph Poon和Vitalik Buterin提出的一種區(qū)塊鏈擴容方案。Plasma是指在根區(qū)塊鏈或者說主鏈（例如以太坊區(qū)塊鏈）上運行一系列智能合約，這些合約會制定相關(guān)的規(guī)則。基于根區(qū)塊鏈上部署的合約延伸出來的區(qū)塊鏈被稱為子鏈，合約中制定的狀態(tài)交易規(guī)則將用于子鏈，這些子鏈也可以進一步衍生出自身的子鏈。

大多數(shù)情況下，子鏈能夠完成大量的計算，僅僅周期性的將正常狀態(tài)的Merkle證明廣播到根鏈，根鏈只需處理少量來自子鏈的請求，這樣可以大大擴展整個系統(tǒng)的容量。

根鏈和子鏈形成了一種樹狀的分層結(jié)構(gòu)，如下圖所示。區(qū)塊的提交依次向下流動。用戶想要退出Plasma子鏈時，退出申請可以提交給任意父鏈，最終被提交到主鏈。

Plasma類似于一個法院的系統(tǒng)，位于不同樹深度的Plasma區(qū)塊鏈就像是各級法院。更高一級的法院可以否認下層法院的審判結(jié)果，根鏈就是級別最高的法院。一般情況下由低級別法院進行審判，若用戶不認同審判結(jié)果，則可以回到更高級別的法院。這樣可以最大化下層法院的可用性，最小化非共識狀態(tài)的成本。

Plasma中蘊含的博弈機制

Plasma是通過創(chuàng)建經(jīng)濟激勵和獎懲機制使整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)正常工作。在Plasma區(qū)塊鏈中，子鏈擁有自己的共識算法，且獨立于根鏈。與現(xiàn)有區(qū)塊鏈類似，子鏈中也存在區(qū)塊生產(chǎn)者，稱為Plasma鏈的運營者（Operator）。但是這些區(qū)塊生產(chǎn)者需要抵押一部分資產(chǎn)，如果他們保持誠實，正確地記錄子鏈的區(qū)塊內(nèi)容，那么他們會得到經(jīng)濟上的獎勵；而如果他們出現(xiàn)不良的欺詐行為，則抵押的資產(chǎn)將被銷毀。

在一個Plasma子鏈中，驗證者（validator）或運營者負責將子鏈的相關(guān)活動通知給根鏈。為節(jié)省存儲空間，只有區(qū)塊頭的哈希提交到根鏈，其他信息保存在子鏈上。

若要使用Plasma鏈，用戶需要向Plasma鏈中存入資金。用戶通過將資金移動到根鏈上部署的Plasma智能合約上的方式，將資金從根鏈轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的子鏈上。

Plasma區(qū)塊鏈中，根鏈是所有全局計算的強制執(zhí)行者，并僅在給予欺詐行為操作者懲罰。若Plasma子鏈中的用戶發(fā)現(xiàn)運營者提交了偽造的信息給根鏈，那么他們可以提交相關(guān)的欺詐證明數(shù)據(jù)給根鏈，以證明運營者提供的數(shù)據(jù)是偽造的。一旦證明成功，Plasma子鏈的區(qū)塊將回滾到偽造之前的狀態(tài)，同時，運營者也將受到懲罰。

如何取回質(zhì)押資產(chǎn)

如果用戶想要取回自己的資產(chǎn)，或者用戶對自己所在的Plasma鏈產(chǎn)生信任危機，想將資產(chǎn)轉(zhuǎn)移回根鏈或Plasma父鏈。用戶可以發(fā)起一個取款交易（Withdrawal transaction）或者退出交易（exit transaction），即用戶提交其交易歷史的Merkle證明，以證明其擁有一定數(shù)量的資金。

一般地，取款的類型分為兩種。一種是簡單取款（Simple Withdrawal），即單方從子鏈中取回資產(chǎn)；另一種是大量取款（Mass Withdrawal），即多方一起從子鏈取回他們的資產(chǎn)。

簡單取款包含以下幾個步驟：

1.用戶提交一個簽了名的取款交易（Withdrawal transaction）給根鏈或者Plasma父鏈。用戶在發(fā)起取款交易的同時需要附上一筆押金作為獎勵金。

2.提交取款交易后進入一個挑戰(zhàn)期。在挑戰(zhàn)期時間內(nèi)，任何人都可以提交欺詐證明來挑戰(zhàn)該用戶的資產(chǎn)聲明，證明該用戶的資產(chǎn)聲明無效或者過期。若挑戰(zhàn)成功，那么該筆取款交易會被取消，且挑戰(zhàn)者可以得到該用戶提供的獎勵金。

3.若直到挑戰(zhàn)期結(jié)束都沒有人能夠提供欺詐證明，那么就認定該取款交易是正確的，該用戶可以贖回在根鏈或Plasma父鏈上的資金，且獎勵金會退回給用戶。

Plasma的設(shè)計模型有兩個主要的分支：Plasma MVP（Minimal Viable Plasma，最小可行的Plasma）和Plasma Cash。Plasma MVP的目標是為最基本的可用的Plasma提供設(shè)計規(guī)范。Plasma cash是做了部分修改的一個Plasma版本，使用戶進行資產(chǎn)證明或驗證時所需提供的數(shù)據(jù)更少。

阻止運營者的欺詐行為

假設(shè)在Plasma鏈中，Sam的資產(chǎn)為2.5個PETH，Alice的資產(chǎn)為3.5個PETH，若此時Plasma鏈的運營者創(chuàng)建了一個無效的Plasma區(qū)塊來聲明自己具有很多PETH，并將該無效的Plasma區(qū)塊信息提交給根鏈。這種情況下，Sam和Alice可以通過向根鏈發(fā)起退出交易來阻止Plasma鏈運營者的欺詐行為，具體過程如下：

（1） Plasma運營者創(chuàng)建一個無效的Plasma區(qū)塊，該區(qū)塊包含一筆交易，該交易虛構(gòu)運營者具有9999個PETH；

（2）Plasma運營者將該無效區(qū)塊的信息提交給根鏈；

（3）根鏈中的礦工發(fā)現(xiàn)運營者提交的信息，在創(chuàng)建根鏈的區(qū)塊時將該信息包含在區(qū)塊中，此時相當于無效的Plasma區(qū)塊被確認；

（4）Sam和Alice注意到Plasma運營者的欺詐行為，他們向根鏈提交退出交易。為了得到這一大筆虛造的PETH，Plasma運營者也立即向根鏈提交一個退出交易；

（5）此時，根鏈上的Plasma合約共有6個PETH。根鏈根據(jù)用戶的交易最初被創(chuàng)建的時間，按照從最早到最新的順序處理Plasma用戶的退出交易。根據(jù)Plasma鏈中的交易情況，Sam最早向Plasma鏈轉(zhuǎn)入5個PETH，然后是Alice轉(zhuǎn)入了1個PETH。因此Sam的退出交易最早被根鏈處理，然后是Alice，最后才是Plasma運營者。

（6）根鏈根據(jù)Plasma鏈和根鏈的區(qū)塊順序，依次清算各區(qū)塊里的交易，首先退回Sam2.5個ETH，加上Sam原來擁有的5個ETH，Sam共有7.5個ETH。然后，根鏈退回Alice3.5個ETH。此時，Plasma合約中沒有多余的資金可以退給Plasma運營者，因此Plasma運營者的欺詐行為失敗。

上述描述的系統(tǒng)運作方法以及對于欺詐行為的處理方法已經(jīng)可以滿足一個基本的Plasma系統(tǒng)的要求。

Plasma Cash

Plasma Cash相比最早提出的Plasma進行了以下修改：

（1）每個單筆存款都對應(yīng)有一個唯一的幣ID，代幣無法分割也無法合并；

（2）交易不是按照txindex的順序存儲在二進制Merkle樹中，而是存儲在稀疏簡單的Merkle樹或Patricia樹中，并且索引是所花費的幣的ID。

簡單理解，就是在Plasma Cash中，對于用戶存入的某一筆代幣，其會被分配一個唯一的ID，該代幣相關(guān)的交易記錄存儲在稀疏的Merkle樹或Patricia樹的葉子節(jié)點中，通過這個唯一的ID可以檢索到葉子節(jié)點的位置，進而查到代幣的交易記錄。這有點類似于房屋買賣——交易時房屋并不會動，但是房屋的主人會更換，而房屋契據(jù)則會記錄交易相關(guān)方以及所有權(quán)易手的頻率。這極大降低了檢查代幣歷史記錄的難度，因為知道應(yīng)該去查找樹上的哪個位置。

如上圖所示，要驗證某個代幣，只需要查詢該代幣ID在樹中對應(yīng)的葉子節(jié)點。例如圖中樹的最左邊的葉子節(jié)點顯示該節(jié)點對應(yīng)的代幣ID為Sam的資產(chǎn)。

Vitalik在對Plasma Cash的說明中提到，用戶在證明他們的幣沒有被雙花時只需提供：從幣被存入之后的所有交易，代表幣的交易歷史，加上每個區(qū)塊的不包含證明，用于證明那些區(qū)塊不包含花費了該幣的交易。用戶需要將幣轉(zhuǎn)給另一個用戶時，只需要將幣完整的證明發(fā)送給那個用戶。Plasma運營者只需要和每個用戶連接，每次創(chuàng)建一個區(qū)塊，只需將證明發(fā)送給對應(yīng)的用戶。對于每個用戶，不需要發(fā)送任何不屬于該用戶的幣的相關(guān)數(shù)據(jù)。顯然，任何不屬于這些證明的數(shù)據(jù)不能用來欺詐退出或雙花用戶的幣。

Plasma Cash是一個比較新穎的想法，與傳統(tǒng)的必須驗證所有幣的整個交易鏈相比，其驗證方法更高效。目前，Plasma Cash的部分設(shè)計細節(jié)還不夠詳細，相信以后區(qū)塊鏈研究人員會對其進一步地完善。

總結(jié)

和許多區(qū)塊鏈擴容方案類似，Plasma的設(shè)計思想也是將大量的計算、狀態(tài)管理等分離出主鏈，減少主鏈所需處理的信息。

Plasma系統(tǒng)的一個較大的優(yōu)點是使用退出機制來保障資金安全。當Plasma鏈的用戶想要將資金轉(zhuǎn)移到根鏈時，只需要提交一個退出交易。而根鏈對多用戶的退出交易的處理優(yōu)先級方法，可以保證即使Plasma區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)發(fā)生黑客攻擊，用戶也不會失去其資金，最糟糕的情況也只是所有用戶被強制從Plasma子鏈上撤出。

當然，Plasma系統(tǒng)也存在一些問題。一個重要的問題就是當Plasma子鏈網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題或其他原因?qū)е麓罅坑脩魧①Y金轉(zhuǎn)移回根鏈時，根鏈可能沒有足夠的能力在挑戰(zhàn)期內(nèi)處理這些用戶的退出交易，這可能會導(dǎo)致用戶損失資金。這一點也可能會被黑客用來攻擊Plasma系統(tǒng)。針對這個問題，有人提出一個簡單的方法，就是延長用戶退出交易的挑戰(zhàn)期，以使根鏈有足夠的時間來處理。理論上可以在一定程度上解決這個問題，具體的實際效果，讓我們拭目以待吧。