在此特别感谢Karl Floersch、Georgios Konstantopoulos和Martin Koppelmann提供的宝贵反馈、专业审查以及富有启发性的讨论。
Plasma作为一种创新的区块链扩展解决方案，其核心设计理念是将大部分数据和计算保持在链下处理，仅保留充值、提现和默克尔根等关键操作在链上执行。这一架构为突破传统链上数据可用性限制、实现显著的可扩展性提升提供了可能。该技术最早在2017年提出，随后在2018年经历了多次重要迭代，包括Minimal Viable Plasma、Plasma Cash、Plasma Cashflow以及Plasma Prime等代表性方案。然而，由于存在客户端数据存储成本过高以及<a href="https://medium.com/@kelvinfichter/why-is-evm-on-plasma-hard-bf2d99c48df7″>基础架构限制等问题，Plasma技术逐渐被更先进的Rollups方案所取代。
随着ZK-SNARKs等验证证明技术的成熟，我们有必要重新审视这一技术路线。验证证明不仅能够有效解决Plasma在支付场景中面临的数据存储难题，更为重要的是，它提供了一系列创新工具，使得构建支持EVM的类Plasma链成为可能。虽然由于基础架构限制，Plasma无法为所有用户提供全面的安全保障，但在实际应用中仍能保护绝大部分资产安全。
本文将详细探讨如何将Plasma的设计理念扩展到更复杂的应用场景。
Plasma核心工作机制解析
以Plasma Cash为例，其设计思路是将每个代币视为独立的NFT，并单独追踪每个代币的交易历史。系统由运营者负责生成并定期发布区块，所有交易都以稀疏默克尔树的形式存储：当代币k发生所有权转移时，相关交易会被记录在树的k位置。每当新区块生成时，运营者会将默克尔树根发布至主链，同时向相关代币持有者发送对应的默克尔分支。
假设这是Plasma Cash链中的最后三个交易树，在确认之前所有树都有效的前提下，我们可以确定Eva当前持有代币1，David持有代币4，George持有代币6。
Plasma系统面临的主要风险来自运营者的不当行为，具体表现为：1）发布包含无效交易的区块；2）发布数据不可用的区块。当运营者出现与用户资产相关的不当行为时，用户必须立即启动退出流程（通常在7天内）。退出者需要提供证明代币所有权转移的默克尔分支，随后进入7天的质疑期。在此期间，其他参与者可以通过提供以下三种证明之一来质疑该退出：1）证明退出者已将代币转出的后续交易；2）证明存在双花交易；3）证明存在未对应花费的早期交易记录。
为确保资产安全，代币持有者需要持续跟踪过去一周内所有相关默克尔分支，并妥善保存所有资产转移记录，以便在必要时能够顺利完成退出流程。
可替代代币的适配方案
虽然上述设计适用于NFT，但对于ETH、USDC等可替代代币，直接应用会面临退出成本过高的问题。解决方案之一是将大量相邻代币视为单一单位进行处理，可通过两种方式实现：1）改进Plasma Cash算法，使其能够高效处理大量相同相邻对象的默克尔树计算；2）采用Plasma Cashflow方案，直接将多个相邻代币表示为单一对象。
然而这两种方法都会面临碎片化问题，当用户从大量交易中收到小额代币时，退出操作仍需要提交多个独立请求，导致gas费用居高不下。虽然已有碎片整合协议被提出，但实现难度较大。
另一种思路是采用UTXO模型重新设计系统。在这种设计中，退出代币时需要提供完整的历史记录，任何参与者都可以通过证明历史代币已被退出来质疑当前退出请求。
如图中所示，右下角0.2 ETH UTXO的退出可以通过展示其历史中任何UTXO的退出记录（绿色部分）来取消。这种设计借鉴了早期有色币协议中的顺序着色思想。
EVM集成的技术挑战
将Plasma扩展到EVM环境面临诸多挑战。首要问题是EVM中许多状态对象缺乏明确的”所有者”，而Plasma的安全性恰恰依赖于每个对象都有负责监控数据可用性的所有者。其次，EVM不限制状态依赖性，导致退出操作可能需要支付高昂的gas成本。此外，EVM中的无限制依赖关系也使得构建有效的激励证明机制变得异常复杂。
验证证明的技术突破
验证证明技术为改进Plasma链设计带来了革命性变化。通过证明每个Plasma区块的有效性，系统只需关注运营者发布不可用区块的风险，大大简化了设计复杂度。在Plasma Cash场景中，这一技术消除了对历史挑战的需求，将用户需要下载的状态数据量从每周每个区块一个分支减少到每个资产一个分支。
更令人振奋的是，在运营者诚实的情况下，基于最新状态的提现可以即时完成，无需经历质疑期。
EVM集成的创新方案
验证证明技术为EVM集成提供了创新解决方案：通过构建并行UTXO图，并在UTXO图与EVM状态之间建立SNARK等价证明，可以在UTXO图上实现标准的Plasma系统。
这种设计巧妙地规避了EVM的诸多复杂性，例如账户系统允许未经同意修改余额的特性，因为Plasma构造基于独立的UTXO状态而非EVM状态本身。
全状态退出机制
已有方案如Plasma Free提出了更简单的EVM Plasma实现思路。在这些方案中，任何用户都可以强制运营者包含特定交易或提供状态证明。若运营者未能响应，链将启动回滚机制，直到完整状态副本被发布。这类方案的局限在于无法支持即时提现，因为始终存在回滚最新状态的可能性。
EVM Plasma的局限性
虽然功能强大，但EVM Plasma方案无法提供全面的安全保障，特别是在处理无明确所有者的状态对象时。以CDP（抵押债务头寸）为例，恶意用户可能通过选择性退出来获取不当利益。隐私系统如Tornado Cash也面临类似挑战，当Plasma链停止发布区块时，部分用户可能无法完整退出其资产。
Uniswap流动性池也存在类似问题，需要特殊逻辑来防止用户通过勾结运营者不当获利。
未来展望
在2023年的技术背景下，Plasma仍是一个被低估的设计方向。虽然Rollups凭借其卓越的安全特性和开发者友好性成为行业标准，但Plasma通过彻底规避数据可用性问题，能够显著降低交易成本。对于原本考虑采用validiums的链来说，Plasma可以带来显著的安全提升。随着ZK-EVM技术的成熟，重新探索这一设计领域恰逢其时，有望开发出更高效、更安全的解决方案。
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