Plasma框架是什么

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Plasma 作為以太坊的二層擴容框架，自從 2017 年被 Joseph Poon（Lightning Network 創(chuàng)始人）和 Vitalik Buterin （Ethereum 創(chuàng)始人）提出以來[1]，一直是區(qū)塊鏈從業(yè)人員關(guān)注的焦點[2]。首先需要明確的是，Plasma 實質(zhì)上是一套框架，而不是一個單獨的項目，它為各種不同的項目實際項目提供鏈下（off-chain）解決方案。這也是為什么很多人對 Plasma 感到疑惑的一個重要原因，因為在缺乏實際應用場景的情況下很難將 Plasma 解釋清楚。 因此，理解 Plasma 是一套框架是理解 Plasma 的關(guān)鍵。

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從區(qū)塊鏈擴容談起

在介紹 Plasma 之前，不得不先介紹區(qū)塊鏈擴容。我們都知道，比特幣（Bitcoin）和以太坊（Ethereum）作為目前最廣泛使用的區(qū)塊鏈平臺，面臨的最大問題就是可擴展性（Scalability）。這里需要注意的是，區(qū)塊鏈中的可擴展性問題并不是單獨特指某個問題，而是區(qū)塊鏈想要實現(xiàn) Web3.0[3] 的愿景，為億萬用戶提供去中心化服務(wù)所要克服的一系列挑戰(zhàn)。雖然以太坊號稱是“世界計算機”，但這臺“計算機”卻是單線程的，每秒鐘只能處理大約 15 條交易，與目前主流的 Visa 和 MasterCard 動輒每秒上萬的吞吐量相比實在相形見絀。因此如何在保證區(qū)塊鏈安全性的情況下，提高可擴展性是目前區(qū)塊鏈發(fā)展亟待解決的問題之一。

目前關(guān)于區(qū)塊鏈擴容的解決方案無外乎兩個方向：一層（Layer 1）擴容和二層（Layer 2）擴容[4]。一層擴容也被稱為鏈上（on-chain）擴容，顧名思義，這類擴容方案需要更改區(qū)塊鏈底層協(xié)議。但同時也意味著需要將區(qū)塊鏈硬分叉。這類擴容方案就像將原來的單核 CPU 改裝成多核 CPU，從而可以多線程處理計算任務(wù)，提高整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

目前最典型的一層擴容方案是 Vitalik 和他的研究團隊提出的“Sharding（分片）”，也就是說將區(qū)塊鏈劃分成不同的部分（shards），每個部分獨立處理交易。想要了解更多關(guān)于 Sharding 的信息，可以參考以太坊官方的 Wiki[5]。

二層擴容也稱鏈下（off-chain）擴容，同樣非常好理解，這種擴容方案不需要修改區(qū)塊鏈底層協(xié)議，而是通過將大量、頻繁的計算工作轉(zhuǎn)移到“鏈下”完成，并定期或在需要時將鏈下的計算結(jié)果提交到“鏈上”保證其最終性（finality）。二層擴容的核心思想是將底層區(qū)塊鏈作為共識基礎(chǔ)，使用智能合約或者其它手段作為鏈下和鏈上溝通的橋梁，當有欺詐行為發(fā)生時鏈下的用戶仍然可以回到鏈上的某一狀態(tài)。雖然將計算轉(zhuǎn)移到鏈下會在一段時間內(nèi)損失最終性，但這個代價是值得的，因為這樣做不止可以極大提高區(qū)塊鏈的靈活性和可擴展性，也極大降低了用戶進行交易所需要的代價。將計算轉(zhuǎn)移到鏈下也并不意味著完全放棄安全性，因為最終的安全性還是由底層所依賴的區(qū)塊鏈來保證，因此二層擴容主要關(guān)注的問題就在于如何保證鏈上鏈下切換過程的安全性。這種思想最早被用在閃電網(wǎng)絡(luò)（Lightning Network）當中作為比特幣的其中一個擴容方案，并取得了很好的效果。

本文所要介紹的 Plasma 就屬于基于以太坊二層擴容方案，類似的解決方案還有 State Channels和 Trubit。這些方案雖然面向的問題有所區(qū)別，但基本思想都是將復雜的計算轉(zhuǎn)移到鏈下進行。那么，接下來我們將進入 Plasma 的世界，一窺究竟！

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理解Plasma

在前文中我們已經(jīng)明白 Plasma 是一種二層擴容框架，那么該如何進一步理解 Plasma 是什么？它區(qū)別于其它二層擴容方案的地方在哪呢？

Plasma 也被稱為“鏈中鏈（blockchains in blockchains）”。任何人都可以在底層區(qū)塊鏈之上創(chuàng)建不同的 Plasma 支持不同的業(yè)務(wù)需求，例如分布式交易所、社交網(wǎng)絡(luò)、游戲等。

這里可以舉一個例子來理解 Plasma。假如企鵝公司創(chuàng)建了一個 Plasma Chain 叫作 Game Chain。用戶通過向 Game Chain 發(fā)送一些以太幣換取 Token，用于購買皮膚等游戲內(nèi)的增值商品。加入 Game Chain 的操作是在鏈上進行的，以太坊區(qū)塊鏈將這部分資產(chǎn)鎖定，轉(zhuǎn)移到 Game Chain 上。之后每次我們購買虛擬商品的交易就會轉(zhuǎn)移到鏈下進行，由企鵝公司記賬。這種方式幾乎跟我們現(xiàn)實生活中游戲內(nèi)購的體驗一樣，不僅結(jié)算迅速，而且手續(xù)費低廉（相比于以太坊之上需要給礦工支付的手續(xù)費）。那么問題來了，如果企鵝公司從中作祟，修改賬本，惡意占有我們的資產(chǎn)怎么辦？這時我們就可以提交之前每次交易的憑證到以太坊區(qū)塊鏈上，如果確實是企鵝惡意篡改了賬本，那么我們不但能夠成功取回自己的資產(chǎn)，還能獲得之前企鵝公司創(chuàng)建 Game Chain 存入的部分或全部押金。

通過上面這個例子是不是已經(jīng)明白 Plasma 大致是如何工作的了？但上面這個例子還是過于簡單，只涉及用戶自己和企鵝公司。下面我們使用區(qū)塊鏈的語言對上面的例子進行解析。

首先，企鵝公司在以太坊主鏈之上創(chuàng)建了一系列智能合約作為主鏈和子鏈 Game Chain 通信的媒介。這些智能合約中不僅規(guī)定了子鏈中的一些基本的狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則（例如如何懲罰作惡的節(jié)點），也記錄了子鏈中的狀態(tài)（子鏈中區(qū)塊的哈希值）。之后企鵝公司可以搭建自己的子鏈（可以用以太坊搭建一套私鏈）。子鏈實際上是一個完全獨立的區(qū)塊鏈，可以擁有專門的礦工，使用不同于主鏈的共識算法，例如 PoS（Proof of Stake）等。

當子鏈創(chuàng)建完畢后，企鵝公司可以使用 ERC721 合約創(chuàng)建 token 作為游戲內(nèi)的商品（就像 Cryptokitty）。但這里需要注意的是，所有數(shù)字資產(chǎn)必須在以太坊主鏈上創(chuàng)建，并通過 Plasma 子鏈的智能合約轉(zhuǎn)移到子鏈中。用戶也需要在主鏈上購買數(shù)字資產(chǎn)后轉(zhuǎn)移到子鏈上。在上面這個例子中，Game Chain 的智能合約將主鏈上的資產(chǎn)鎖定，之后在子鏈上生成等值的資產(chǎn)。之后用戶就可以完全脫離主鏈，在子鏈上進行交易。企鵝公司在子鏈上扮演 operator 的角色，如果一切運行正常，子鏈中的礦工會正常打包區(qū)塊，并在需要時由 operator 將區(qū)塊的哈希值提交到主鏈作為子鏈的狀態(tài)更新證明。在這個過程中，用戶完全不需要和主鏈交互。

我們可以看到，將復雜的計算操作轉(zhuǎn)移到鏈下確實使得整個交易過程變得簡單。但沒有強大的共識算法和龐大的參與者，資產(chǎn)在子鏈上是很不安全的。Plasma 給了我們一種避險機制，即使 operator 作惡，我們也能取回屬于自己的資產(chǎn)。下圖（來源自[1]）簡單說明了這個過程。圖中，在第 4 個區(qū)塊中的交易被篡改。由于 Alice 本地保存有 Plasma Chain 中所有的區(qū)塊數(shù)據(jù)，因此她可以向主鏈提交一個含有“防偽證明（Fraud Proof）”的交易。如果證明生效，那么主鏈將狀態(tài)從 4 號區(qū)塊回滾到 3 號區(qū)塊，一切恢復正常。Plasmas Chain 中的參與者也可以隨時提交資產(chǎn)證明，返回到主鏈。

到這里我們應該已經(jīng)理解了，Plasma 所要做的工作并不是保護子鏈的安全，而是當有安全事故發(fā)生時，保證用戶可以安全地取回自己的資產(chǎn)，并返回到主鏈上。并且采用一系列經(jīng)濟激勵的方式減少作惡情況的發(fā)生。

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