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Plasma Cash合約解讀

• SmartPlasma 合約解讀
  • 1. 合約代碼
  • 2. 合約文件簡單介紹
  • 3. Plasma Cash 的基礎數據結構
    • 3.1 Plasma Cash 中的資產
    • 3.2 Plasma Cash中的交易
    • 3.3 Plasma Cash 中的 Block
    • 3.4 Plasma Cash 中資產的回歸主鏈以太坊
      • 3.4.1 資產擁有證明
      • 3.4.2 等待其他人來挑戰我
      • 3.4.3 挑戰期過了, Bob 拿回資產 uid
  • 4. Plasma Cash 中的退出示例
  • 5. 其他問題 Plasma 由 V 神在2017年8月提出,希望通過鏈下交易來大幅提高以太坊的 TPS.

每條 Plasma 鏈都會將有關交易順序的消息換算成一個哈希值存儲在根鏈上。比特幣和以太坊都屬於根鏈——這兩條區塊鏈具有很高的安全性，並且通過去中心化保證了（安全性和活性）。

Plasma 設計模型有兩個主要的分支：Plasma MVP 和 Plasma Cash 。這裏我們來研究 SmartPlasma 實現的 Plasma Cash 合約,並通過合約分析來回答大家關於 Plasma Cash 的一系列疑問.

1. 合約代碼

SmartPlasma的合約代碼肯定會不斷升級,我針對他們在今天(2018-09-14)最新版本進行分析,這份代碼目前保存在我的 github 上 plasma cash.

2. 合約文件簡單介紹

文件夾中有不少與 Plasma Cash 無關的合約,這裏只關註直接與 Plasma Cash 相關合約,像 ERC20Token 相關合約就忽略,自行查看.

• Mediator.sol 是 Plasma Cash 鏈中資產的進出口
• RootChain.sol 處理 Plasma Cash 子鏈(相對於以太坊而言)中的交易以及打包等
• libraries/MerkleProof.sol 是子鏈中交易用到的默克爾樹,用於子鏈參與方進行欺詐證明 fraud proof.
• libraris/RLP.sol RLP編碼支持,可以暫時忽略,子鏈中所有的交易都是用RLP 編碼的.
• libraries/PlasmaLib.sol 生成 uid 的輔助函數
• ECRecovery.sol 簽名驗證
• datastructures/Transaction.sol 描述交易的數據結構

3. Plasma Cash 的基礎數據結構

Plasma Cash 是一種子鏈結構,可以認為 Plasma Cash 是以太坊的一個是基於 =一種簡化的UTXO模型的子鏈.

3.1 Plasma Cash 中的資產

Plasma Cash 中的資產都來自於以太坊,但是一旦進入 Plasma Cash 就會擁有唯一的 ID,並且不可分割. 可以參考 Mediator.sol的deposit函數. Mediator就是 Plasma Cash 資產存放的地方.

        /** @dev Adds deposits on Smart Plasma.
     *  @param currency Currency address.
     *  @param amount Amount amount of currency.
     */
    function deposit(address currency, uint amount) public {
        require(amount > 0);

        Token token = Token(currency);
        token.transferFrom(msg.sender, this, amount); /// deposit test1

        bytes32 uid = rootChain.deposit(msg.sender, currency, amount); /// deposit test2
        cash[uid] = entry({
            currency: currency,
            amount: amount
        });
    }

通過合約可以看出進入 Plasma Cash 的資產必須是 ERC20 Token,這些資產實際上是存在 Mediator 這個合約上,然後由 RootChain 為其分配一個唯一的 ID, 也就是 uid. 這個 uid 代表著什麽 token, 有多少個.

3.2 Plasma Cash中的交易

關鍵代碼在 Transaction.sol中.

    struct Tx {
        uint prevBlock;
        uint uid;
        uint amount;
        address newOwner;
        uint nonce;
        address signer;
        bytes32 hash;
    }

這裏可能不太明顯,需要解釋才能看出來這是一個 UTXO 交易的模型. 這裏面的amount 和 hash 實際上都有點啰唆,可以忽略. 那麽剩下的成員需要來解釋.

prevBlock就是 UTXO 中的輸入,來自於哪塊. 至於為什麽沒有像比特幣一樣的OutPoint 結構,也就是 TxHash+Index, 後續會講到. uid 就是交易的資產 ID newOwner 交易輸出給誰, 這裏也不支持像 比特幣一樣的腳本. nonce 是這筆資產的第多少次交易,在雙花證明中有重要作用. signer必須由資產原擁有者的簽名.

amount 不重要,是因為資產不可分割,導致這裏的 Amount 不會隨交易發生而發生變化. 而 hash 則是可以直接計算出來.

3.3 Plasma Cash 中的 Block

如果一般區塊鏈中的 Block 一樣,他是交易的集合.但是不同於一般鏈的是,這裏面的礦工(不一定是 Operator)不僅需要維護好子鏈,還需要周期性的將每一個 Block 對應的默克爾樹根保存到以太坊中,這個工作只能有 Operator 來完成. 具體代碼可見 RootChain.sol的.

    function newBlock(bytes32 hash) public onlyOperator {
        blockNumber = blockNumber.add(uint256(1));
        childChain[blockNumber] = hash;

        NewBlock(hash);
    }

交易證據提交者只能是 Operator, 也就是合約的創建者. 這個 Operator 既可以是普通賬戶,這時他就是這個子鏈的管理員.也可以是一份合約,那麽就可以通過合約來規定子鏈的出塊規則.

3.4 Plasma Cash 中資產的回歸主鏈以太坊

當資產在 Plasma 中交易一段時間以後,持有者Bob如果想退出Plasma Cash 子鏈,那麽就需要向以太坊合約也就是 RootChain證明,他確實擁有這一筆資產.

3.4.1 資產擁有證明

這個思路和 UTXO 的思路是一樣的,Bob能證明這筆資產是從哪裏轉給我的即可.具體見RootChain.sol中的startExit函數. 其思路非常簡單,證明

• 這筆資產來自哪裏(在哪 M塊中轉移到了 Alice 手中)
• 經過 Alice 簽名轉移給了Bob(在N塊中 Alice 做了簽名給我) 具體看代碼 startExit

/** @dev Starts the procedure for withdrawal of the deposit from the system.
     *  @param previousTx Penultimate deposit transaction.
     *  @param previousTxProof Proof of inclusion of a penultimate transaction in a Smart Plasma block.
     *  @param previousTxBlockNum The number of the block in which the penultimate transaction is included.
     *  @param lastTx Last deposit transaction.
     *  @param lastTxProof Proof of inclusion of a last transaction in a Smart Plasma block.
     *  @param lastTxBlockNum The number of the block in which the last transaction is included.
     */
    function startExit(
        bytes previousTx,
        bytes previousTxProof,
        uint256 previousTxBlockNum,
        bytes lastTx,
        bytes lastTxProof,
        uint256 lastTxBlockNum
    )
        public
    {
        Transaction.Tx memory prevDecodedTx = previousTx.createTx();
        Transaction.Tx memory decodedTx = lastTx.createTx();
        // 證明在 prevBlock的時候 Alice 擁有資產 uid
        require(previousTxBlockNum == decodedTx.prevBlock);
        require(prevDecodedTx.uid == decodedTx.uid);
        //amount 不變,證明資產不可分割
        require(prevDecodedTx.amount == decodedTx.amount);
        //Alice 確實簽名轉移給了我,並且交易是相鄰的兩筆交易
        require(prevDecodedTx.newOwner == decodedTx.signer);
        require(decodedTx.nonce == prevDecodedTx.nonce.add(uint256(1))); //緊挨著的兩筆交易
        //我是 Bob, 我要來拿走這筆資產
        require(msg.sender == decodedTx.newOwner);
        require(wallet[bytes32(decodedTx.uid)] != 0);

        bytes32 prevTxHash = prevDecodedTx.hash;
        bytes32 prevBlockRoot = childChain[previousTxBlockNum];
        bytes32 txHash = decodedTx.hash;
        bytes32 blockRoot = childChain[lastTxBlockNum];

        require(
            prevTxHash.verifyProof(
                prevDecodedTx.uid,
                prevBlockRoot,
                previousTxProof
            )
        );
        require(
            txHash.verifyProof(
                decodedTx.uid,
                blockRoot,
                lastTxProof
            )
        );

        /// Record the exit tx.
        require(exits[decodedTx.uid].state == 0);
        require(challengesLength(decodedTx.uid) == 0);

        exits[decodedTx.uid] = exit({
            state: 2,
            exitTime: now.add(challengePeriod),
            exitTxBlkNum: lastTxBlockNum,
            exitTx: lastTx,
            txBeforeExitTxBlkNum: previousTxBlockNum,
            txBeforeExitTx: previousTx
        });

        StartExit(prevDecodedTx.uid, previousTxBlockNum, lastTxBlockNum);
    }

代碼的前一半都是在用來證明在lastTxBlockNum的時候,資產 uid 歸Bob所有. 然後後一半就是提出來,Bob想把資產 uid 提走. 我的這個想法會暫時保存在合約中,等待別人來挑戰.

3.4.2 等待其他人來挑戰我

有了以上信息, 就可以證明在 N 塊時,這筆資產歸Bob所用.但是這肯定不夠,無法證明現在資產仍然屬於Bob,也無法證明Alice 沒有在 M 塊以後再給別人. 更加不能證明在 M 塊的時候 Alice 真的是 uid 的擁有者? 這些問題,看起來很難回答,其實思路也很簡單. 這個思路和雷電網絡中解決問題的辦法是一樣的, 讓這筆資產的利益攸關者站出來舉證. 比如: 如果 Carol能夠舉證這筆資產Bob 後來又轉移給了 Carol, 那麽實際上 Bob 就是在雙花. 具體的挑戰以及迎戰代碼比較復雜,但是這也是 Plasma Cash 的核心安全性所在.如果沒有這些,所有的參與者都將無法保證自己的權益.

//challengeExit 挑戰資產uid 其實不屬於 Bob
  /** @dev Challenges a exit.
     *  @param uid Unique identifier of a deposit.
     *  @param challengeTx Transaction that disputes an exit.
     *  @param proof Proof of inclusion of the transaction in a Smart Plasma block.
     *  @param challengeBlockNum The number of the block in which the transaction is included.
     */
    function challengeExit(
        uint256 uid,
        bytes challengeTx,
        bytes proof,
        uint256 challengeBlockNum
    )
        public
    {
        require(exits[uid].state == 2);

        Transaction.Tx memory exitDecodedTx = (exits[uid].exitTx).createTx();
        Transaction.Tx memory beforeExitDecodedTx = (exits[uid].txBeforeExitTx).createTx();
        Transaction.Tx memory challengeDecodedTx = challengeTx.createTx();

        require(exitDecodedTx.uid == challengeDecodedTx.uid);
        require(exitDecodedTx.amount == challengeDecodedTx.amount);

        bytes32 txHash = challengeDecodedTx.hash;
        bytes32 blockRoot = childChain[challengeBlockNum];

        require(txHash.verifyProof(uid, blockRoot, proof));

        // test challenge #1 & test challenge #2 最後一筆交易後面又進行了其他交易, Bob 在進行雙花
        if (exitDecodedTx.newOwner == challengeDecodedTx.signer &&
        exitDecodedTx.nonce < challengeDecodedTx.nonce) {
            delete exits[uid];
            return;
        }

        // test challenge #3, 雙花了,  Alice 給了兩個人,並且挑戰者 Carol的BlockNumer 更小,也就是發生的更早.
        if (challengeBlockNum < exits[uid].exitTxBlkNum &&
            (beforeExitDecodedTx.newOwner == challengeDecodedTx.signer &&
            challengeDecodedTx.nonce > beforeExitDecodedTx.nonce)) {
            delete exits[uid];
            return;
        }

        // test challenge #4   在 M塊之前,還有一筆交易,Alice 需要證明自己在 M 塊確實擁有 uid
        if (challengeBlockNum < exits[uid].txBeforeExitTxBlkNum ) {
            exits[uid].state = 1;
            addChallenge(uid, challengeTx, challengeBlockNum);
        }

        require(exits[uid].state == 1);

        ChallengeExit(uid);
    }

//Bob應戰,再次舉證,實際上這個過程就是要不斷的追加證據,將所有的交易連起來,最終證明 Alice 在 M塊確實擁有 uid
 /** @dev Answers a challenge exit.
     *  @param uid Unique identifier of a deposit.
     *  @param challengeTx Transaction that disputes an exit.
     *  @param respondTx Transaction that answers to a dispute transaction.
     *  @param proof Proof of inclusion of the respond transaction in a Smart Plasma block.
     *  @param blockNum The number of the block in which the respond transaction is included.
     */
    function respondChallengeExit(
        uint256 uid,
        bytes challengeTx,
        bytes respondTx,
        bytes proof,
        uint blockNum
    )
        public
    {
        require(challengeExists(uid, challengeTx));
        require(exits[uid].state == 1);

        Transaction.Tx memory challengeDecodedTx = challengeTx.createTx();
        Transaction.Tx memory respondDecodedTx = respondTx.createTx();

        require(challengeDecodedTx.uid == respondDecodedTx.uid);
        require(challengeDecodedTx.amount == respondDecodedTx.amount);
        require(challengeDecodedTx.newOwner == respondDecodedTx.signer);
        require(challengeDecodedTx.nonce.add(uint256(1)) == respondDecodedTx.nonce);
        require(blockNum < exits[uid].txBeforeExitTxBlkNum);

        bytes32 txHash = respondDecodedTx.hash;
        bytes32 blockRoot = childChain[blockNum];

        require(txHash.verifyProof(uid, blockRoot, proof));

        removeChallenge(uid, challengeTx);

        if (challengesLength(uid) == 0) {
            exits[uid].state = 2;
        }

        RespondChallengeExit(uid);
    }

3.4.3 挑戰期過了, Bob 拿回資產 uid

挑戰期過後,Bob 在Mediator.sol 中提出將資產退回到以太坊中

 /** @dev withdraws deposit from Smart Plasma.
     *  @param prevTx Penultimate deposit transaction.
     *  @param prevTxProof Proof of inclusion of a penultimate transaction in a Smart Plasma block.
     *  @param prevTxBlkNum The number of the block in which the penultimate transaction is included.
     *  @param txRaw lastTx Last deposit transaction.
     *  @param txProof Proof of inclusion of a last transaction in a Smart Plasma block.
     *  @param txBlkNum The number of the block in which the last transaction is included.
     */
    function withdraw(
        bytes prevTx,
        bytes prevTxProof,
        uint prevTxBlkNum,
        bytes txRaw,
        bytes txProof,
        uint txBlkNum
    )
        public
    {
        bytes32 uid = rootChain.finishExit(
            msg.sender,
            prevTx,
            prevTxProof,
            prevTxBlkNum,
            txRaw,
            txProof,
            txBlkNum
        );

        entry invoice = cash[uid];

        Token token = Token(invoice.currency);
        token.transfer(msg.sender, invoice.amount); /// 真正的資產轉移

        delete(cash[uid]); 
    }

RootChain 再次驗證

 /** @dev Finishes the procedure for withdrawal of the deposit from the system.
     *       Can only call the owner. Usually the owner is the mediator contract.
     *  @param account Account that initialized the deposit withdrawal.
     *  @param previousTx Penultimate deposit transaction.
     *  @param previousTxProof Proof of inclusion of a penultimate transaction in a Smart Plasma block.
     *  @param previousTxBlockNum The number of the block in which the penultimate transaction is included.
     *  @param lastTx Last deposit transaction.
     *  @param lastTxProof Proof of inclusion of a last transaction in a Smart Plasma block.
     *  @param lastTxBlockNum The number of the block in which the last transaction is included.
     */
    function finishExit(
        address account,
        bytes previousTx,
        bytes previousTxProof,
        uint256 previousTxBlockNum,
        bytes lastTx,
        bytes lastTxProof,
        uint256 lastTxBlockNum
    )
        public
        onlyOwner
        returns (bytes32)
    {
        Transaction.Tx memory prevDecodedTx = previousTx.createTx();
        Transaction.Tx memory decodedTx = lastTx.createTx();

        require(previousTxBlockNum == decodedTx.prevBlock);
        require(prevDecodedTx.uid == decodedTx.uid);
        require(prevDecodedTx.amount == decodedTx.amount);
        require(prevDecodedTx.newOwner == decodedTx.signer);
        require(account == decodedTx.newOwner);

        bytes32 prevTxHash = prevDecodedTx.hash;
        bytes32 prevBlockRoot = childChain[previousTxBlockNum];
        bytes32 txHash = decodedTx.hash;
        bytes32 blockRoot = childChain[lastTxBlockNum];

        require(
            prevTxHash.verifyProof(
                prevDecodedTx.uid,
                prevBlockRoot,
                previousTxProof
            )
        );

        require(
            txHash.verifyProof(
                decodedTx.uid,
                blockRoot,
                lastTxProof
            )
        );

        require(exits[decodedTx.uid].exitTime < now); //挑戰期過了
        require(exits[decodedTx.uid].state == 2); //並且沒有人挑戰或者我都給出了合適的證據
        require(challengesLength(decodedTx.uid) == 0);

        exits[decodedTx.uid].state = 3;

        delete(wallet[bytes32(decodedTx.uid)]);

        FinishExit(decodedTx.uid);

        return bytes32(decodedTx.uid);
    }

4. Plasma Cash 中的退出示例

sequenceDiagram participant o as operator participant u1 as alice participant u2 as bob participant u3 as carol participant u4 as david u1->>rootchain: deposit asset to RootChain, get unique id asset1 o->>rootchain: 生成 NewBlock 3, 記錄此筆資產 u1->>u2: transfer asset1 to bob o->>rootchain: 生成 NewBlock 7, 記錄此筆交易 u1->>u3: transfer asset1 to carol o->>rootchain: 生成 Newblock 11 記錄此筆交易 u3->>rootchain: 我要提現asset1到主鏈,提供asset1來自 alice,由 alice簽名,發生在 11 u2->>rootchain: 提出挑戰,asset1應該屬於我,提供 asset1 來自 alice,由 aice簽名,發生在 7,rootchain 判定bob證據有效,拒絕carol提現 u2->>u4: transfer asset1 to devid o->>rootchain:生成 Newblock 27, 記錄此筆交易 u4->>rootchain:提現 asset1,來自 bob,有 bob的簽名,發生在 27 loop david wait for challenge u4->>u4:等待挑戰期兩周時間 end u4->> rootchain: withdraw,提現,將asset1從rootchain 轉走

5. 其他問題

• 1. 為什麽 Plasma Cash 中的資產是不可分割的?
     進入 rootchain 的資產類似於比特幣的 UTXO 模型,但是是不可分割的,這個可以通過交易驗證時每次都要求 amount 不變可以得出.
• 2. operator 的作用是什麽?
     operator 負責將子鏈中的交易證據(默克爾樹)提交證明到以太坊主鏈中.
• 3. operator 是否必須可信任的?
     是的. 雖然 operator 不能將他人資產隨意轉移,但是卻可以阻止他人資產轉移.也就是說無法從 Plasma 子鏈中退回到以太坊中. 當然這部分是可以改進,降低 operator 作惡帶來的風險.
• 4. operator 是否可以是一個合約呢?
     是的. 如果 operator 是一個 Pos 共識合約,那麽可以降低問題3中的風險

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