Plasma

什么是Plasma

Plasma是一种layer2扩容解决方案，由Joseph Poon和Vitalik Buterin在他们的论文《可扩容的自治智能合约》（Plasma: Scalable Autonomous Smart Contracts）里第一次被提出。这篇论文为架构可扩容的应用建立了框架。

Plasma结合了智能合约和密码学验证，这个组合通过将交易从以太坊主链转移到“侧链”（有时也称为“子链”或“plasma链”），实现快速而便宜的交易。这些侧链定期给主链汇报，并通过主链来处理争议（几乎像是一个高等法院）。

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为什么需要Plasma？

Vitalik Buterin的看法是，在区块链的基础层架构复杂的功能是一个“坏主意”，因为平台会因需要不断讨论、实现、和协调新发现的技术改进而产生高昂的治理费用。把一个新功能添加到基础协议中是一项需要花费大量时间的工作，且会导致以太坊因过载而运行不了。在推进以太坊的工作上，我们不应该仅依赖于基础协议的更改。其认为随着区块链变得越来越成熟，layer1必须趋向稳定，而layer2则将更多地扮演不断创新和变化的角色。

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Plasma是如何运作的？

Plasma的结构是建在使用智能合约和默克尔树之上的，使得构建出无数的子链成为可能——它们本质上就是以太坊主链的轻量版本。每条链都单独设计，服务不同的需求，彼此共存且独立运作。在每条子链上都可以搭建更多的链，这就形成了一个树状结构。

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MapReduce

Plasma的白皮书介绍了一种对被称为MapReduce计算的有趣应用。简单来说，MapReduce是一组函数，在组织和计算跨多个数据库的数据上非常有用。

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在Plasma的环境里，这些数据库相当于树状结构的区块链，借助MapReduce来对树形区块链中的数据进行验证，从而提高网络效率。

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Plasma链上的存款和提款都伴随状态转换，二者都通过欺诈证明来保障。这个设定确保了可执行状态和可交换性，且使得在处理更多交易的同时，基础层中需要加载的数据越少。任何用户都可以互相发送资金，包括那些来自不同参与者集的。这些资金转账可以用原生平台币来支付和提款。

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欺诈证明(Fraud Proofs )

子链与根链之间的通信安全由欺诈证明提供保障。每条子链都有自己的验证区块机制和特定的欺诈证明实现，它们可以建在不同的共识算法之上。最常见的是工作量证明（Proof of Work）、权益证明（Proof of Stake）、和权威证明（Proof of Authority）。

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欺诈证明确保了在受到恶意攻击时，用户可以报告不诚实节点、保护他们的资金、以及退出交易 (这涉及与主链的交互）。也就是说，通过欺诈证明这一机制，Plasma的一条子链可以对它的父链（或根链）发起投诉。

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这些证明使用一个交互式的资金提取协议。为了提取一定数额的资金，需要设定退出时间。在子链上的参与者必须通过要求提款的UTXO（Unspent Transaction Outputs，即未花费交易输出）模型来确认输出。然后，网络参与者可以提交一个经确认和测试的、缴纳了保证金的证明，以证明这些资金确实已花出去。如果发现这个事件是有误的，会把它当作欺诈处理，交易确认会被取消。随后提款人在缴纳了保证金后等待提款。参与者能很快地退出一条错误的Plasma链。在受到攻击的情况下，参与者可以迅速退出并节省费用，确保系统内部的安全性。

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例子

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例如，如果Alice将一个ETH存在一条Plasma链上，它会被记录在区块上，然而共识是由欺诈证明达成的。之后的操作会在基础链上执行和提交，而她的资金会保存在智能合约里：

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Plasma的优势与劣势

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毋庸置疑，Plasma是一个不错的扩容解决方案，但Plasma也是有不足的。每一次新的Plasma迭代都揭示了一个需要被解决的新问题，这导致出现了多个Plasma变体，采取不同的方式来进行权衡。我们会在下文详细地比较不同的变体，但首先我们来对比一下Plasma本身及其变体的优势和劣势。

优势	劣势
Plasma将通过把操作移到链下帮助以太坊区块链实现扩容	由于链下组件的运行需要，Plasma要有一个中心化的构成
更低的交易费与更快的操作使得计算密集型应用得以在区块链上运行	提款用户的等待期长（7-14天）
去除主网上大量不必要的数据，这也降低了节点的带宽要求	对于那些没有高额资产以及不想等上数周来访问Plasma链的用户来说，体验比较差
与多种链上扩容方案兼容，包括分片、不同区块大小等	为了维持不可变性，需要解决新的安全风险/挑战（主要针对退出问题）大规模退出：大量用户都试图同时退出他们的Plasma链，大量交易涌入根链从而导致网络拥堵。这可能由欺诈活动、网络攻击、一条或一组Plasma子链上其他任何类型的严重事故诱发

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许多Plasma变体都有自身的不足，比如：Plasma MVP有时间限制，这绝不是理想的用户体验，且难以应对网络拥堵问题。Plasma Cash依赖于NFT（non-fungible tokens，非同质代币）来运行，而这需要大量的交易记录。用户必须追踪数据且不断收集未打包证明，因此，当用户转让NFT的所有权时，必须要同时转移它的历史记录。

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较为主流的Plasma类型

“Plasma”本身并非某个项目，有许多不同项目使用基于Plasma框架或规范的工具。

目前，主要有四个不同的版本：

Plasma Cash

Plasma Cash的设计主要是用于存储和转移NFT。它是高度可扩展的，因为用户只需要追踪他们自己的NFT。该机制使用稀疏默克尔树 (Sparse Merkle Trees, SMT) 作未打包证明，因此只可用于NFT，因为SMT使用的是索引。每个代币在每个区块中都有一个“槽”（slot），即唯一存款。当某个代币被花费，交易证明就会记录在区块里所对应的槽中。

Plasma Debit

Plasma Debit与Plasma Cash类似，不同点在于每个代币都是用户与链运营者之间的一个支付通道。有点像一个大型闪电网络，但这些通道可以像Plasma Cash代币那样被转移。交易速度非常快，且用户只需追踪自己的通道。

Plasma Prime

Plasma Prime的设计很新颖，使用RSA累加器来解决Plasma Cash里大量历史证明的问题。

MVP（Minimum Viable Plasma 极简Plasma）

Plasma MVP设计是一种极简的、基于UTXO机制的Plasma链。Plasma MVP的基础规范能实现高吞吐量支付交易，但不支持结构更复杂的脚本或智能合约。

Plasma MVP依赖于确认签名，因为处理提款的顺序是基于提款输出的位置。

用户需要在交易前签名，等看到交易被打包进有效区块，再做另一个签名。这些第二个签名也必须被打包在Plasma区块里，为更多的交易减少可用区块空间！

注：确认签名会带来相当糟糕的用户体验。More Viable Plasma, 也以MoreVP为人所知，是Minimal Viable Plasma的一种延伸，它去除了确认签名。MoreVP优化了用户提款的流程。每次提款的顺序将基于创建的输出交易中最新输入的位置。

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比较不同的Plasma模型

Plasma设计	Plasma MVP	Plasma Cash	Plasma Debit
数据结构	二叉默克尔树	稀疏默克尔树	稀疏默克尔树
共识	任何(PoW、PoA、PoS)	任何(PoW、PoA、PoS)	由于支付通道的结构，倾向于由一个或少数运营者做选择
存款	基于UTXO，支持ETH和 ERC20	每笔存款都有唯一的代币ID，仅限NFT	每笔存款都有唯一的代币ID，仅限NFT和FT
交易费	当退出/提款到根链或其他链时，会产生给验证者的交易费和gas费	与MVP相同	用户通过运营者主导的支付通道来支付而不是直接支付给其他用户
签名	在打包进区块前需要交易签名，在打包后需要确认签名	确认签名用以避免恶意破坏	无须确认签名
退出/提款	退出时需要未花的UTXO证明，优先次序取决于UTXO的先后	代币最新两笔交易的证明、打包进区块的证明、没有优先次序	代币最新两笔交易的证明、代币未被花费部分的证明、被打包进区块的证明、没有退出优先次序

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现在，让我们来对比每个模型的优势、劣势、以及用例。

	Plasma MVP	Plasma Cash	Plasma Debit
优势	可扩展、所有的签名都发送到 PoA的运营商、高度可置换性	高度可扩展、监督人与用户他们只需要追踪自己的代币，而不需要追踪链上的所有代币	高度可扩展、监督人与用户他们只需要追踪自己的代币、 NFT和FT的交易都可以进行、余额更新高效，运营者和持币者达成共识，而不需要打包到区块里（与通道相似）
劣势	监督人与用户需要监督和挑战无效的退出、如果运营者扣留区块或用户试图重新提交交易可能面临诚实保证金罚没	代币证明可以是大量的、代币的面额是固定的、监督人或用户自己需要监督和挑战自己代币的无效交易	重度依赖运营者、可以通过创立一组轮替运营者来规避风险、要求运营者提前锁定大量资金来为支付通道提供资金、交易规模受限于最初的代币储存规模
用例	低信任用例(PoA)、交易所、证券、P2P支付、重复支付/账单支付、博彩	收藏品、资产管理（房地产、艺术品）	对运营者高度信任的用例、电子钱包或服务供应商、博彩、资产管理、P2P支付

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文章来源

EthHub

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