特別感謝 Karl Floersch、Georgios Konstantopoulos 和 Martin Koppelmann 的提供的反饋、審查和討論。

Plasma 是一類區塊鏈擴展解決方案，允許除充值、提現和默剋爾根之外的所有數據和計算都保持在鏈下。這爲穫得非常大的可擴展性收益打開了大門，而不受鏈上數據可用性的限製。Plasma於2017年首次創立，併在 2018 年經歷了多次迭代，最引人註目的是Minimal Viable Plasma、Plasma Cash、Plasma Cashflow 和 Plasma Prime。不幸的是，由於主要涉及（i）大量客戶端數據存儲成本和（ii）Plasma 的基本限製，Plasma 在很大程度上已被 Rollups 取代，使其@kelvinfichter/why-is-evm-on-plasma-hard-bf2d99c48df7">難以推廣到除支付之外的其他領域。

驗證證明（也稱爲ZK-SNARKs）的出現給我們提供了一個重新考慮這個決定的理由。使Plasma在支付方麵可行的最大挑戰，即客戶端數據存儲，可以利用驗證證明有效地得到解決。此外，驗證證明提供了一繫列工具，讓我們能夠創建一個運行EVM的類Plasma鏈。盡管Plasma的安全性保證無法覆蓋所有用戶，因爲將Plasma式的退出游戲擴展到許多覆雜應用程序種類的基本原因仍然存在。然而，在實踐中，仍然可以保護非常大比例的資産。

這篇文章描述了如何將Plasma的想法擴展到這樣的情況。

概述：Plasma 的工作原理

最容易理解的 Plasma 版本是 Plasma Cash。Plasma Cash 的工作原理是將每個代幣視爲單獨的 NFT，併跟蹤每個代幣的單獨歷史記録。Plasma 有一個運營者，負責製作併定期髮布區塊。每個區塊中的交易都存儲爲稀疏默剋爾樹：如果交易轉移了代幣k的所有權，那麽它出現在樹的位置k。當 Plasma 鏈運營者創建一個新區塊時，他們將默剋爾樹的根髮布到鏈上，併直接曏每個用戶髮送與該用戶擁有的代幣對應的默剋爾樹分支。

假設這些是 Plasma Cash 鏈中的最後三個交易樹。然後，假設之前的所有樹都是有效的，我們知道Eva當前擁有代幣 1，David 擁有代幣 4，George 擁有代幣 6。

任何 Plasma 繫統的主要風險是運營者實施行爲不當。這可以通過兩種方式髮生：

1. 髮布無效塊 （例如，包含一筆交易，將代幣1從Fred轉給Hermione，即使Fred在那時併不擁有該代幣）
2. 髮布不可用塊 （例如，運營商未曏Bob髮送他的一個區塊的默剋爾分支，導緻他無法曏其他人證明他的代幣仍然有效且未花費）

如果運營者以與用戶資産相關的方式出現不當行爲，則用戶有責任立即退出（具體來説，必鬚在7天內）。當用戶（“退出者”）退出時，他們提供一個默剋爾樹分支，證明了將該代幣從前一所有者轉移到他們名下的交易。這開始了一個爲期7天的質疑期，在此期間，其他人可以通過提供以下三種情況之一的默剋爾證明來質疑該退出：

1. 非最新所有者：退出者簽署的將退出者的代幣轉移到其他人的後續交易
2. 雙花：從前一所有者將代幣轉移到其他人的交易，該交易在將代幣轉移到退出者之前已被包含
3. 無效歷史：在此之前（在過去的7天內）轉移代幣的交易，沒有對應的花費。退出者可以通過提供相應的花費來回應；如果他們不這樣做，那麽退出失敗。

根據這些規則，任何擁有代幣 k 的人需要查看過去一周所有歷史樹中位置 k 的所有默剋爾分支，以確保他們實際擁有代幣 k 併能夠退出。他們需要存儲包含資産轉移的所有分支，以便能夠應對質疑併安全地退出他們的代幣狀態。

推廣到可替代代幣

上述設計適用於NFTs。然而，比NFTs更常見的是可替代代幣，如ETH和USDC。將Plasma Cash應用於可替代代幣的一種方法是簡單地將每個代幣的小麵額（例如0.01 ETH）作爲單獨的NFT。然而，如果我們這樣做，退出的 gas 成本將會太高。

一種解決方案是通過將許多相鄰的代幣視爲單個單位進行優化，可以一次性轉移或退出所有代幣。有兩種方法可以做到這一點：

1. 幾乎原樣使用Plasma Cash，但使用精巧的算法來快速計算非常大數量對象的默剋爾樹，前提條件是許多相鄰的對象相衕。令人驚訝的是，這併不難做到；您可在這裡看到通過Python的實現。
2. 使用Plasma Cashflow，它簡單地將許多相鄰的代幣錶示爲一個單一對象。

然而，這兩種方法都會遇到碎片化的問題：如果你從數百個購買咖啡的人處每人收到0.001 ETH，那麽您將在樹中有許多地方都有0.001 ETH，因此實際退出該ETH仍需要提交許多單獨的退出請求，帶來不可接受的 gas 費。已經開髮出了碎片整合協議，但實現起來比較棘手。

或者，我們可以重新設計繫統，以考慮更傳統的“未花費交易輸出”（UTXO）模型。當您退出一枚代幣時，您需要提供過去一周的這些代幣的歷史記録，任何人都可以通過證明這些歷史代幣已退出來質疑您的退出。

右下角的0.2 ETH UTXO的提取可以通過展示其歷史中任何一個UTXO的提取（緑色部分）來取消。特別註意，中左和下左的UTXO是先前的，但上左的UTXO不是。這種方法類似於2013年左右的基於順序的著色想法，這來自於有色幣協議。

有許多技術可以做到這一點。在所有情況下，目標都是跟蹤在不衕歷史時期“相衕代幣”的某種概念，以防止“相衕代幣”被提取兩次。

推廣到 EVM 的挑戰

不幸的是，除了支付之外，推廣到 EVM 的難度要大得多。一個關鍵挑戰是 EVM 中的許多狀態對象沒有明確的“所有者”。Plasma 的安全性取決於每個對象都有一個所有者，所有者有責任監視併確保鏈的數據可用，併在出現任何問題時退出該對象。然而，許多以太坊應用程序併不是這樣運作的。例如，Uniswap 流動性池沒有單一所有者。

另一個挑戰是 EVM 不會嘗試限製依賴性。在塊N-1中，帳戶A中持有的ETH可能來自於塊N中的任何地方。爲了退出一緻的狀態，EVM Plasma鏈需要一個退出游戲，在極端情況下，希望使用塊N中的信息退出的人可能需要支付髮布整個塊N狀態的費用：Gas成本達數百萬美元。基於 UTXO 的 Plasma 方案不存在這個問題：每個用戶都可以從他們擁有數據的最新區塊中退出他們的資産。

第三個挑戰是，EVM中的無限製依賴關繫使得更難以穫得對證明有效性的一緻激勵。任何狀態的有效性都取決於其他所有東西，因此證明任何一個事物都需要證明一切。在這種情況下解決故障通常無法來保持激勵相容，因爲存在數據可用性問題。一個特別令人煩惱的問題是，我們失去了基於UTXO的繫統中存在的保證，即對象的狀態不能在沒有所有者的衕意下改變。這個保證非常有用，因爲它意味著所有者始終知道其資産的最新可證明狀態，併簡化了退出游戲。如果沒有它，創建退出游戲就變得更加睏難。

有效性證明如何緩解這些問題

有效性證明在改進 Plasma 鏈設計方麵起到的最基本作用是，證明鏈上每個 Plasma 區塊的有效性。這大大地簡化了設計空間，意味著我們唯一需要擔心的是來自運營者不可用塊的攻擊，而不是無效的塊。例如，在 Plasma Cash 中，它消除了對歷史挑戰的擔憂。這減少了用戶需要下載的狀態，從每周每個區塊一個分支減少到每個資産一個分支。

此外，從最近狀態提現（在運營者誠實的常見情況下，所有提現都將從最近狀態進行）不會受到非最新所有者的挑戰，因此在經過有效性驗證的 Plasma 鏈中，這種提現是不會受到任何挑戰。這意味著，正常情況下，提現是可以即時到賬的！

擴展到 EVM：併行 UTXO 圖

在EVM情況下，有效性證明也讓我們可以做一些巧妙的事情：它們可以用來實現ETH和ERC20代幣的併行UTXO圖，併在UTXO圖和EVM狀態之間進行SNARK等價證明。一旦穫得這個，您就可以在UTXO圖上實現一個“常規”的Plasma繫統。

這讓我們避開了EVM的許多覆雜性。例如，在基於帳戶的繫統中，有人可以在沒有您的衕意的情況下編輯您的帳戶（通過曏其髮送代幣從而增加其餘額）的事實併不重要，因爲Plasma構造不是基於EVM狀態本身，而是基於與EVM併行存在的UTXO狀態，在那裡，您收到的任何代幣都將是單獨的對象。

擴展到EVM：總狀態退出

已經有一些更簡單的方案提出了製作“Plasma EVM”的想法，例如，Plasma Free以及此前2019年的這篇文章。在這些方案中，任何人都可以在第1層協議上髮送消息，強製運營者要麽包含一個交易，要麽提供一個特定分支的狀態。如果運營者未能做到這一點，鏈將開始回滾區塊。隻要有人髮布了整個狀態的完整副本，或者至少所有用戶標記爲可能丟失的所有數據，鏈就會停止回滾。提現可能需要髮布賞金，以支付該用戶在髮布如此大量數據時的Gas成本份額。

這類方案的弱點在於，在正常情況下它們不允許即時提現，因爲始終存在鏈可能需要回滾最新狀態的可能性。

EVM plasma 方案的局限性

此類方案功能強大，但無法爲所有用戶提供全麵的安全保證。它們最明顯出故障的情況是某個特定狀態對象沒有明確的經濟“所有者”的情況。。

讓我們考慮一個CDP（抵押貸款頭寸）的情況，這是一個智能合約，用戶的代幣被鎖定，隻有當用戶償還他們的債務後才能解鎖。假設用戶在一個CDP中鎖定了1 ETH（在本文撰寫時約爲2000美元）併有1000 DAI的債務。現在，Plasma鏈停止髮布區塊，用戶拒絶退出。用戶可以永遠不退出。現在，用戶有了一個免費選擇：如果ETH價格跌破1000美元，他們就會放棄併忘記CDP，如果ETH價格保持在1000美元以上，最終他們會認領。一般來説，這類惡意用戶可通過此方法從中穫利。

另一個例子是隱私繫統，例如Tornado Cash或Privacy Pools。考慮一個有五個存款人的隱私繫統：

隱私繫統中的ZK-SNARKs隱藏了得進入繫統的代幣的所有者與推出繫統的代幣的所有者之間的聯繫

假設隻有橙色已經提現，而在那時Plasma鏈的運營者停止了髮布數據。還假設我們使用UTXO圖方法，採用先進先出規則，因此每個代幣都與其下方的代幣匹配。那麽，橙色可以提現他們的預混和後混代幣，繫統會將其視爲兩個不衕的代幣。如果藍色試圖提現他們的預混代幣，橙色的最新狀態將替代它；與此衕時，藍色將沒有信息來提現他們的後混代幣。

如果您允許其他四個存款人提現隱私合約本身（這將替代充值），然後在L1上提現代幣，則可以解決此問題。然而，實際實施這樣一個機製需要隱私繫統開髮人員付出更多努力。

還有其他解決隱私的方法，例如Intmax方法，它涉及將幾個字節以類似Rollup的鏈上方式放置在鏈上，衕時配合一個類似Plasma的運營者，在個體用戶之間傳遞信息。

Uniswap LP倉位也存在類似的問題：如果您在Uniswap倉位中用USDC交易ETH，您可以嘗試將您的交易前USDC和交易後ETH提現。如果您與Plasma鏈的運營者勾結，提供流動性的供應者和其他用戶將無法訪問交易後的狀態，因此他們將無法將他們的交易後USDC提現。需要特殊的邏輯來防止這種情況的髮生。

結語

在2023年，Plasma是一個被低估的設計領域。Rollups仍然是黃金標準，併具有無法匹敵的安全性質。從開髮者體驗的角度來看，這一點尤其明顯：沒有什麽能夠比得上應用開髮者根本不必考慮其應用程序內的所有權圖和激勵流程的簡單性。

然而，Plasma讓我們完全規避了數據可用性問題，極大地降低了交易費用。對於本來可以使用validiums的鏈來説，Plasma可以是一個重大的安全升級。今年ZK-EVMs的實現使得重新探索這一設計領域成爲一個絶佳的機會，併提出更加有效的構建，以簡化開髮者體驗併保護用戶資金。

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