Plasma MVP完全解析
1.什麼是Plasma？
眾所周知，目前的主流區塊鏈系統普遍存在可擴充套件性（Scalability）問題。解決該問題一般有下面兩種思路：
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Layer1技術：直接修改底層區塊鏈，比如修改區塊大小和結構（2MB區塊/SegWit等）、修改共識機制（PoS/DPos/PBFT等）、分片（Sharding）等方案
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Layer2技術：在底層區塊鏈之上構造新的交易環境，分擔主鏈的負載，代表方案包括狀態通道和各種側鏈子鏈技術。Layer2技術基於以下假設：並非每個人都需要知道網路上發生的每一筆交易。事實上，主鏈只需要記錄交易的最終結果，交易的過程可以在更高效更經濟的交易環境中完成。
Plasma屬於Layer2技術中的一種，即側鏈（sidechain）技術。具體來說，就是在主鏈上鎖定一部分資產，然後在側鏈上建立新資產，後續交易都在側鏈上完成。當用戶退出側鏈時，銷燬側鏈上的資產，然後在主鏈上解鎖剩餘的資產。
那麼由誰來建立新資產呢？共識機制。當然，側鏈一般會選擇效率更高的共識演算法，比如PBFT/PoS/DPoS等。根據不可能三角法則，在可擴充套件性提高的同時，去中心化和安全性必然會出現一定程度的削弱。因此，Plasma需要解決一個重要的問題：在側鏈安全性無法保證時，所有人都可以安全地回退（fallback）的主鏈上。
為了實現以上目標，Plasma框架包含以下三個主要組成部分：
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鏈下執行：即在主鏈之外執行交易
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狀態提交：側鏈狀態的壓縮版本（即交易的Merkle根），需要提交到主鏈上
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退出機制：使用者通過提供憑證（Merkle proof），可以隨時、安全地退出側鏈
2.Plasma MVP
MVP即Minimal Viable Plasma，是Plasma的一個最小實現版本。
Plasma MVP基於UTXO模型，只支援轉賬，不支援指令碼或智慧合約的執行。側鏈共識機制採用POA（Proof-of-Authority），依賴一個被稱為operator的節點生產側鏈區塊，然後把側鏈狀態提交到主鏈上。使用者首先通過主鏈的智慧合約充值，之後就可以完全在側鏈上交易了，如果想要提現或者側鏈出現安全性問題，使用者可以向主鏈智慧合約發起退出申請。
2.1充值（deposit）
目前只支援ETH充值，後續會支援ERC20代幣。
首先使用者（紫色）向主鏈智慧合約發起一個deposit呼叫，交易執行後會產生一個DepositCreated的event。Operator（紅色）監測到這個event後，建立一個只包含一筆交易的區塊，為使用者建立側鏈資產。側鏈上的交易由兩個輸入UTXO和兩個輸出UTXO組成，在充值情況下，只有第一個輸出有值，其他都為0。
隨後，operator把該區塊的Merkle根提交到主鏈智慧合約，合約會發送BlockSubmitted的event。使用者可以監聽到這個event，並驗證其有效性。
2.2退出（exit）
如果使用者想要把側鏈資產重新轉回主鏈，則需要啟動退出流程。
使用者（紅色）向主鏈智慧合約發起一個startExit呼叫，同時提供一筆保證金（EXIT_BOND）。
合約會把該請求放入一個優先佇列中，優先順序等於區塊高度 * 1000000000 + 區塊中交易index * 10000 + 交易中UTXO的index。這樣設計的目的是保證出現非法交易時，之前的所有合法UTXO都可以安全退出。
退出請求需要等待一段時間才能生效，可以理解為“公示”。等待時間長度等於Max(UTXO建立時間+2 weeks，當前區塊時間+1 week)，也就是說，最快7天、最慢14天可以完成提現操作。
那麼發起退出呼叫需要提供哪些材料呢？我們看一下startExit()的函式原型：
function startExit(
uint256 _utxoPos,
bytes _txBytes,
bytes _proof,
bytes _sigs
)
- _utxoPos：UTXO的具體位置，以“blknum * 1000000000 + txIndex * 10000 + oIndex”的形式傳遞進來
- _txBytes：UTXO對應的原始交易資料(RLP編碼)，用於和merkle proof一起驗證該交易是否存在於區塊中
- _proof：即merkle proof，算出原始交易的雜湊值後，可以通過merkle proof算出區塊的Merkle根，驗證該筆交易的合法性
- _sigs：包含兩個簽名：交易簽名和確認簽名，用於確認使用者是否有權提取該UTXO（確認簽名後面會講到）
關於merkle proof，不熟悉的同學可以看下面這張圖，如果我想確認左下角綠色的交易是否存在於區塊中，只需要提供兩個紅色的雜湊值作為merkle proof就可以了：
最後，當等待期結束後，使用者可以向主鏈智慧合約發起一個finalizeExit呼叫，把資金連同EXIT_BOND真正轉入主鏈賬號中。
2.3挑戰退出（challengeExit）
如果使用者發現，有人給他轉了一筆錢，但是又發起了退出申請想把這筆錢提走，那就必須阻止他，這被稱為challengeExit。
之前提到，提現會有7～14天的等待期，就是為了讓使用者有足夠的時間發起挑戰。如果挑戰成功，則把退出請求從優先佇列中刪除，同時把EXIT_BOND作為獎勵轉給發起挑戰的使用者。挑戰退出需要提供的材料參見以下函式原型：
function challengeExit(
uint256 _cUtxoPos,
uint256 _eUtxoIndex,
bytes _txBytes,
bytes _proof,
bytes _sigs,
bytes _confirmationSig
)
其中_cUtxoPos代表發起挑戰的UTXO的位置，_eUtxoIndex代表被挑戰的UTXO是交易中的第幾個輸入。
2.4抵禦“扣塊攻擊”
“扣塊攻擊“，即Block Withholding Attack，指的是operator生成區塊後不廣播給其他使用者，同時把該區塊的Merkle根提交到主鏈上。這樣就造成了資訊不對稱：如果operator先偽造一筆交易把UTXO轉給自己，然後把你消費這筆UTXO的交易放在後面，一起打包進區塊（不廣播）。在這之後，operator向主鏈申請提現，使用者無法對他發起挑戰，因為無法提供需要的材料。當然，使用者也可以向主鏈申請提現這筆UTXO，但是operator可以出示被扣留塊中你的交易簽名，對你發起挑戰，導致你提現失敗。
為了抵禦這種攻擊，MVP增加了一個確認簽名（Confirmation Signature）的設計：
舉個例子：使用者A（紫色）在側鏈上給使用者B（黃色）發了一筆轉賬交易，此時他會對該交易進行簽名。只有當用戶A確認該筆交易已經被包含在一個合法區塊中（即他收到了這個塊），並且operator也已經把Merkle根提交到主鏈上了以後，才會給使用者B傳送一個確認簽名。之前提到過，使用者發起退出申請時必須提供確認簽名信息，所以如果發生扣塊攻擊，operator將無法得到使用者的確認簽名，也就無法成功提現。
另外有一個叫More Viable Plasma的專案據說可以不需要確認簽名，使用“youngest input”優先順序保證安全性，有時間再研究研究。
3.總結
Plasma是一個側鏈擴容框架，屬於一種Layer2技術。Plasma MVP是Plasma的一個最小實現，基於UTXO模型，使用者可以通過主鏈智慧合約充值到側鏈，在需要提現或者側鏈出現安全問題時通過“exit/challenge”機制安全退出側鏈。為了抵禦扣塊攻擊，採用了雙簽名設計，確保了側鏈資料的可見性（data availability）。
參考：
https://github.com/omisego/plasma-mvp/
https://ethresear.ch/t/minimal-viable-plasma/426
https://www.learnplasma.org/en/learn/mvp.html
https://www.learnplasma.org/en/resources/#plasma-mvp-specification
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