摘要：合約會(huì)處理由子鏈提交的區(qū)塊，并且將區(qū)塊的哈希值存在主鏈上。負(fù)責(zé)處理所有子鏈上發(fā)生的交易，將其打包成區(qū)塊存儲(chǔ)在子鏈上，并且周期性地向合約提交區(qū)塊，將子鏈上的狀態(tài)區(qū)塊的哈希值提交到主鏈共識(shí)。

本文首發(fā)于深入淺出區(qū)塊鏈社區(qū)
原文鏈接:深入理解Plasma（三）Plasma MVP原文已更新，請(qǐng)讀者前往原文閱讀

這一系列文章將圍繞以太坊的二層擴(kuò)容框架 Plasma，介紹其基本運(yùn)行原理，具體操作細(xì)節(jié)，安全性討論以及未來研究方向等。本篇文章主要介紹 Plasma 的一個(gè)最小實(shí)現(xiàn) Plasma MVP（Minima Viable Plasma）。

在上一篇文章中我們已經(jīng)理解了 Plasma 中的一些關(guān)鍵操作，但是 Plasma 是一套框架，如果脫離了實(shí)際的應(yīng)用，仍然很難徹底理解它。因此本篇將詳細(xì)介紹 Plama 的第一個(gè)項(xiàng)目 Plasma MVP（Minimal Viable Plasma），即在 Plasma 框架下的最基礎(chǔ)的實(shí)現(xiàn)。Plasma MVP 是 Vitalic 和他的團(tuán)隊(duì)在 2018 年初提出的基于 UTXO 模型實(shí)現(xiàn)的 Plasma 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[[1]](https://ethresear.ch/t/minima...，它以最簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)了鏈下交易，但無法支持復(fù)雜的計(jì)算，例如腳本（Script）和智能合約。在閱讀下面的內(nèi)容之前，請(qǐng)確保已經(jīng)理解了這個(gè)系列之前的文章。

整個(gè) Plasma MVP 的生命周期可以通過下面這幅圖表現(xiàn)出來：

首先需要將 Plasma 合約部署到主鏈（以太坊）上作為主鏈和子鏈溝通的媒介。Plasma 合約會(huì)處理由子鏈提交的區(qū)塊，并且將區(qū)塊的哈希值存在主鏈上。除此之外，還會(huì)處理用戶的存款（deposit）、取款（withdrawal/exit）以及爭(zhēng)議（challenge）操作。

Plasma 合約中主要包括的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有：

Owner：合約的擁有者（即部署合約交易的發(fā)送者）的地址，即部署合約交易的發(fā)送者；

Plasma 區(qū)塊列表：每個(gè) Plasma 區(qū)塊中存儲(chǔ)了（1）區(qū)塊的 Merkle root（2）區(qū)塊提交的時(shí)間；

退出列表：即提交了退出申請(qǐng)的列表，每個(gè)退出申請(qǐng)存儲(chǔ)了（1）申請(qǐng)者的地址（2）申請(qǐng)退出的 UTXO 的位置。

Plasma 合約中主要包括的函數(shù)有：

submitBlock(bytes32 root)：向主鏈提交一個(gè)區(qū)塊，僅僅提交區(qū)塊中所有交易的 Merkle root；

deposit()：生成一個(gè)只包含一個(gè)交易的區(qū)塊，這個(gè)交易中包含與 msg.value 值相等的 UTXO；

startExit()：執(zhí)行給定 UTXO 的退出操作；

challengeExit()：向某個(gè)正在執(zhí)行的退出提出爭(zhēng)議。

在前面的文章中我們已經(jīng)知道 Plasma 子鏈?zhǔn)且粋€(gè)獨(dú)立的區(qū)塊鏈，那么也就有獨(dú)立的共識(shí)機(jī)制。在 Plasma MVP 中采用的共識(shí)機(jī)制就是 PoA（Proof of Authority），即參與共識(shí)的只有唯一一個(gè)礦工，稱為 Operator。Operator 負(fù)責(zé)處理所有子鏈上發(fā)生的交易，將其打包成區(qū)塊存儲(chǔ)在子鏈上，并且周期性地向 Plasma 合約提交區(qū)塊，將子鏈上的狀態(tài)（區(qū)塊的哈希值）提交到主鏈共識(shí)。那么，既然 Operator 是唯一的礦工，這不就意味著 Plasma 違背了去中心化的初衷了嗎？其實(shí)，這是去中心化向執(zhí)行效率的妥協(xié)。在之前的文章中也提到過，Plasma 的安全基礎(chǔ)依賴于底層的區(qū)塊鏈，只要底層的區(qū)塊鏈能夠保證安全，那么在 Plasma 子鏈上發(fā)生的最差結(jié)果也只是迫使用戶退出子鏈，而不會(huì)造成資產(chǎn)損失。

Operator 可以采用最簡(jiǎn)單的 REST API 方式實(shí)現(xiàn)，子鏈中的用戶可以通過調(diào)用簡(jiǎn)單的 API 獲取到子鏈中區(qū)塊的數(shù)據(jù)。

用戶 Alice 通過存款（deposit）操作向 Plasma 合約發(fā)送帶有一定數(shù)額的以太幣或 ERC20 token 加入 Plasma Chain，這時(shí) Plasma 合約會(huì)執(zhí)行 deposit() 函數(shù)，生成一個(gè)只包含一個(gè)交易的區(qū)塊，這個(gè)交易的 UTXO 記錄了 Alice 從主鏈轉(zhuǎn)移到子鏈的數(shù)額。當(dāng)這個(gè)區(qū)塊被主鏈確認(rèn)后，Alice 就可以使用新生成的 UTXO 向其它用戶發(fā)送交易了。

在 Plasma MVP 中，所有用戶發(fā)送的交易都是直接發(fā)送給 Operator，當(dāng)積累了一定數(shù)量的交易后，由 Operator 將交易打包成區(qū)塊。這里需要注意的是，由于 Plasma MVP 采用的是 UTXO 模型，所以即使交易的收款方不存在，交易也是成立的。

在子鏈上 Alice 向 Bob 發(fā)送一個(gè)交易的流程如下：

Alice 首先需要得到 Bob 在子鏈上的地址；

Alice 將一個(gè)或多個(gè) UTXO 作為輸入構(gòu)造交易發(fā)送到 Bob 的地址，并對(duì)交易簽名；

等待該交易被打包到區(qū)塊中；

Alice 向 Bob 發(fā)送確認(rèn)消息，并且使用相同的私鑰簽名。

在 Plasma MVP 中，一個(gè) Plasma 區(qū)塊產(chǎn)生的情況只有兩種：一種是 Operator 打包生成區(qū)塊，另外一種是當(dāng)用戶執(zhí)行 deposit 操作時(shí)，由 Plasma 合約直接生成一個(gè)只包含一個(gè)交易的區(qū)塊。

為了保證子鏈上資產(chǎn)的安全，用戶需要周期性地檢查子鏈上的數(shù)據(jù)，保證沒有惡意交易產(chǎn)生。用戶需要運(yùn)行一種自動(dòng)化的軟件（例如錢包），每隔一段時(shí)間下載子鏈中的區(qū)塊數(shù)據(jù)，檢查每個(gè)區(qū)塊中的交易，如果有惡意交易產(chǎn)生，立即退出子鏈。

當(dāng) Alice 想要退出子鏈時(shí)，需要向 Plasma 合約發(fā)送一個(gè) exit 交易，申請(qǐng)中需要包含（1）所要退出的 UTXO 的位置，包括區(qū)塊號(hào)（blknum）、區(qū)塊內(nèi)交易號(hào)（txindex）以及交易內(nèi)輸出號(hào)（outindex）（2）包含該 UTXO 的交易（3）該交易的 Merkle proof（4）用于生成該 UTXO 所涉及的之前一系列交易的確認(rèn)簽名。除此之外，exit 交易中還要包含“退出押金（exit bond）”。如果這個(gè) exit 被 challenge 成功，那么取款的操作將被取消，而且退出押金將被發(fā)送給提出 challenge 的用戶。

之后這個(gè)申請(qǐng)會(huì)被放入一個(gè)優(yōu)先隊(duì)列中，通過這個(gè)公式計(jì)算優(yōu)先級(jí)：

Priority = blknum  1000000000 + txindex  10000 + oindex

之所以采用這種優(yōu)先隊(duì)列的方式處理取款順序的原因是保證舊的 UTXO 總能優(yōu)先于新的 UTXO 被取出。也就是說，當(dāng)有惡意交易（例如雙花等）產(chǎn)生時(shí)，所有在惡意交易發(fā)生之前的交易都可以被優(yōu)先取出。那么如何解決在惡意交易之后被確認(rèn)的交易的取款問題呢？Plasma MVP 采用了“確認(rèn)簽名（Confirmation Signatures）”的機(jī)制，在下一小節(jié)我們將介紹這一機(jī)制是如何工作的。

在 Plasma MVP 中，用戶的退出順序以所要退出的 UTXO 所在的交易的位置為準(zhǔn)。假如 operator 作惡，在一個(gè)合法的交易之前插入一個(gè)非法的交易，那么當(dāng)用戶執(zhí)行取款時(shí)，由于非法交易可以先被取出，因此當(dāng)執(zhí)行到該用戶的交易時(shí)，可能 Plasma 合約中的資產(chǎn)已經(jīng)被取空。為了解決這個(gè)問題，Plasma MVP 采用了“確認(rèn)簽名”機(jī)制，例如當(dāng) Alice 產(chǎn)生一個(gè)交易時(shí)，她首先會(huì)對(duì)交易簽名。當(dāng)該交易被打包入?yún)^(qū)塊后，Alice 還需要對(duì)該交易進(jìn)行一次簽名，即“確認(rèn)簽名”。

引入確認(rèn)簽名機(jī)制后，當(dāng) Alice 發(fā)現(xiàn)在一個(gè)區(qū)塊中自己的合法交易之前存在非法交易時(shí)，可以拒絕對(duì)自己的交易進(jìn)行“確認(rèn)簽名”，同時(shí)申請(qǐng)取款。這樣可以使得當(dāng)前的交易失效，保證自己之前“確認(rèn)簽名”后的交易可以優(yōu)先于非法交易之前取出。

這種確認(rèn)簽名機(jī)制極大地破壞了用戶體驗(yàn)，用戶每產(chǎn)生一個(gè)交易都要經(jīng)歷簽名->等待確認(rèn)->確認(rèn)簽名。而且由于確認(rèn)簽名也需要占據(jù) Plasma 區(qū)塊的空間，因此也降低了子鏈的可擴(kuò)展性。為了解決這個(gè)問題，Plasma 的研究人員提出了擴(kuò)展版本 More Viable Plasma 移除了確認(rèn)簽名的要求[[2]](https://ethresear.ch/t/more-v...。

每個(gè)取款操作都會(huì)經(jīng)歷一個(gè)爭(zhēng)議期。例如在 Alice 的某個(gè) UTXO 退出子鏈的過程中，如果 Bob 在爭(zhēng)議期內(nèi)發(fā)現(xiàn)有惡意行為發(fā)生，他可以提出一個(gè)爭(zhēng)議（challenge）。一個(gè)爭(zhēng)議需要給出針對(duì)的 UTXO 的位置，以及該 UTXO 被花費(fèi)的證明，即該 UTXO 已經(jīng)存在于某個(gè)交易中，且這個(gè)交易已經(jīng)被打包到區(qū)塊。

合約通過調(diào)用 challengeExit() 函數(shù)執(zhí)行一個(gè)爭(zhēng)議，爭(zhēng)議成功后會(huì)取消正在執(zhí)行的取款操作，并將提交取款申請(qǐng)所凍結(jié)的押金發(fā)送給 Bob。

在 Plasma 子鏈中主要存在兩種攻擊場(chǎng)景：

Alice 試圖忽視在子鏈中轉(zhuǎn)移給 Bob 的資產(chǎn)，使用最初加入 Plasma 子鏈時(shí)的交易證明向主鏈提出取款申請(qǐng)。

Operator 生成一個(gè)惡意交易，占有其他用戶的資產(chǎn)，并且嘗試退出子鏈。

下面對(duì)這兩個(gè)攻擊場(chǎng)景進(jìn)行分析，觀察 Plasma MVP 如何保證資產(chǎn)的安全性：

場(chǎng)景1

Alice 使用最初加入子鏈時(shí)生成的交易作為證據(jù)向主鏈提出取款申請(qǐng)；

Bob（或者其他任意用戶）擁有 Alice 申請(qǐng)退出的 UTXO 被花費(fèi)的交易證明，并將此作為證據(jù)向主鏈提出一個(gè)爭(zhēng)議；

爭(zhēng)議生效，Alice 的退出申請(qǐng)被駁回，同時(shí)將 Alice 申請(qǐng)退出的押金發(fā)送給 Bob；

Alice 的攻擊失效。

場(chǎng)景2

Operator 創(chuàng)建了一個(gè)非法交易，并且將其打包生成區(qū)塊之后在主鏈得到確認(rèn)；

Operator 提交取款申請(qǐng)，打算將 Alice 的資產(chǎn)取走；

在爭(zhēng)議期內(nèi)，Alice 發(fā)現(xiàn)了 Operator 的惡意行為，立即提出取款申請(qǐng)，退出子鏈；

由于 Alice 的申請(qǐng)優(yōu)先級(jí)較高，因此會(huì)在 Operator 之前退出；

Operator 的攻擊失效。

Talk is cheap, show me your code.

目前已經(jīng)有許多機(jī)構(gòu)和公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 Plasma MVP，但實(shí)現(xiàn)的語言和細(xì)節(jié)有所不同：

FourthState Lab[[3]](https://github.com/fourthstate)

Omisego[[4]](https://github.com/omisego/pl...

Kyokan[[5]](https://github.com/kyokan/pla...

本文介紹了 Plasma 的最小實(shí)現(xiàn)版本 Plasma MVP，雖然采用最簡(jiǎn)單的 UTXO 模型，但已經(jīng)足夠體現(xiàn)出 Plasma 的核心思想。在 Plasma MVP 中，用戶資產(chǎn)的安全主要依賴于用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)惡意行為，并退出子鏈。接下來的文章將會(huì)介紹另外一個(gè)稍微復(fù)雜一點(diǎn)的項(xiàng)目，Plasma Cash。

https://ethresear.ch/t/minimal-viable-plasma/426

https://ethresear.ch/t/more-viable-plasma/2160

https://github.com/fourthstate

https://github.com/omisego/plasma-mvp

https://github.com/kyokan/plasma

本文的作者是蓋蓋，他的微信公眾號(hào): chainlab

深入淺出區(qū)塊鏈 - 系統(tǒng)學(xué)習(xí)區(qū)塊鏈，打造最好的區(qū)塊鏈技術(shù)博客。