Plasma Introduction and its Future.

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Plasmaの概略とその発展 @y_matsuwitter

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2 ©Gunosy Inc. ⾃⼰紹介 n Gunosy Inc. – 新規事業開発室執⾏役員 CTO n 業務 – 開発全般のマネジメント – 技術に関する横断的な課題対処 – 現在は新規事業⽴ち上げも担当 n 経歴 – 在学時に⼆社のベンチャーの⽴ち上げ・開発に携わる – 2013年3⽉東京⼤学⼯学部卒業 – 2013年1⽉よりGunosyに⼊社 – 2014年6⽉執⾏役員就任、現在に⾄る松本勇気 @y_matsuwitter

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3 ©Gunosy Inc. 本⽇のアジェンダ Plasmaとはなにか l Blockchainの課題とSidechain l EthereumとPlasmaの関係 l Deposit / Exit / Challengeによる資⾦移動 l Plasma PoS, Blockchain in Blockchain, Map Reduce l Plasmaの可能性 Plasma MVPで理解する不正対策 Plasmaの先端議論 l Plasma Cash/XT l Simple Withdrawal…etc Plasmaに関してWPを元にしたその概略と発展について。

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4 ©Gunosy Inc. Plasmaとは

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5 ©Gunosy Inc. Blockchain全体の課題現実世界での利⽤を促進するにはパフォーマンス改善が急務。 n Block sizeの制約 – ⼀つのBlockに含められるtxの数は上限がある。 – 上限が⾼すぎると中央集権的になる可能性も。 n Block timeの制約 – Blockの⽣成間隔は短すぎるとセキュリティ的トレードオフが発⽣。 n Ethereumの場合 – 現状は毎秒10tx程度が上限実利⽤においてスケーラビリティの不⾜が重要課題。 Block tx tx tx tx Block tx tx tx tx Block生成間隔 Blockあたりのキャパシティ

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6 ©Gunosy Inc. Sidechainという解決策複数のブロックチェーンをpeggingによってつなげる。 n Peggingによる連携 – 2つのBlockchain上のトークン同⼠を固定レートで対応付けし、アトミックに交換する仕組みを⽤意する。（預け⼊れ） n スケーラビリティへの貢献 – サイドチェーンの数だけtxを捌ける。 – サイドチェーンは親チェーンとは独⽴した仕様を採⽤可能 n 課題 – Trustlessなpeggingの難しさ l SPV Proof, NIPoPoWs…etc スケーラビリティに対する解決策の⼀つ。 Parent Chain Side Chain 固定比率交換

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7 ©Gunosy Inc. Plasma = Sidechain + α DecentralizedなSidechain + PoS + MapReduce n EVMでのDecentralizedなpegging – 後述するが、不特定多数の参加者の中で peggingに伴う預け⼊れ・引き出しを実現する仕組みを既存のEVMにて実現。 n 拡張性と安全性を上げるさらなる仕組み – Plasma PoS – Map Reduce – Plasma Cash – …etc EVMを利⽤して複数チェーンを連携しスケーラビリティを⾼める。図: RootChainに様々なチェーンを繋げていく出展： https://plasma.io/plasma.pdf

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8 ©Gunosy Inc. Plasmaの登場⼈物 Rootchian Contract ó Plasma Chainの連携で成り⽴つ。 n Rootchainコントラクト – 資⾦をPlasmaチェーンに⼊⾦・出⾦しその安全性を担保するスマートコントラクト。 n Plasmaチェーン – SidechainとしてRootchainコントラクトと連携するチェーン。 – 後述するPlasmaのプロトコルに準拠していればどのようなチェーンでも原理上使えるはず。 Ethereumと協調するSidechain相当のチェーン。 Ethereum RootChain Contract Plasma Chain 関連する Stateの監視⾃⾝の状態記録 Plasmaの利用 PlasmaChain への入出金 User

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9 ©Gunosy Inc. User ⼊⾦と出⾦・不正報告 Plasma Chain ETHなどを送金し預託預託のイベント発生 UTXOの生成を確認自身のチェーンに入金UTXO生成預託金取出のための署名送付出金依頼を優先キューに追加する 7日後、出金を有効化する。出金依頼分のETH等を取り出し預託金の記録不正があればこのタイミングで証拠を提出し棄却

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10 ©Gunosy Inc. User ⼊⾦と出⾦・不正報告 Plasma Chain ETHなどを送金し預託預託のイベント発生 UTXOの生成を確認自身のチェーンに入金UTXO生成預託金取出のための署名送付出金依頼を優先キューに追加する 7日後、出金を有効化する。出金依頼分のETH等を取り出し預託金の記録不正があればこのタイミングで証拠を提出し棄却詳細はPlasma MVPの項で！！

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11 ©Gunosy Inc. Priority Queue 最終⼿段としてのMass-exit Mass exit後のチェーンは基本的に停⽌、別チェーンの作成を想定 n あくまで将来的な仕様で、exitしたい全ての⼈から署名を集めて実⾏。 n Priority QueueによるExit優先度調整 – 古いUTXOから順に出⾦ n 古い順に処理されるため、不正な出⾦・アクション以前に関しては、かならず正しい持ち主に正しい⾦額が変換される。 n ユーザー喪失を⽣むため、運⽤者の不正に対するマイナスのインセンティブになる。全Depositに対してExitを提出する。 Exit Frauded Block: 123 Block: 122 Tx idx: 2 Block: 115 Tx idx: 14 Exit ここでは Deposit不足に

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12 ©Gunosy Inc. Plasma PoS ノード運営にあたっての不正のインセンティブを潰す。 n 仕組みとしては⼀般的なPoS – Staking⽤トークンを⽤いてPlasmaチェーンをvalidation、tx⼿数料等を得る。 n Stakerとなることでチェーン⾃体の価値を毀損する不正のインセンティブを無くす。 – 不正はMass Exitに繋がり価値が0へ。 n 想定されるstakerの構成 – WPではPlasmaチェーン運⽤者が1つの addressに対して3%程度を上限とした stakingを想定。 Plasmaチェーンに推奨されるコンセンサスアルゴリズム。 Block: 2 Bさん Block: 3 Aさん Block: 1 Cさん 100ブロック内で Staker⽐率に応じた Block提案割合を維持するよう設計する

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13 ©Gunosy Inc. Blockchains in Blockchains 多くのBlockchainが連携することで全体として数百万tx/secを達成する。 n Plasmaの構造は複数階層作れる – Rootから⼦、更にその⼦から孫にデポジットを繰り返していくことで深い階層のチェーンを使う。 – 多量のチェーンが最終的に連携され、その分だけスケーラビリティが向上。 n ⼦チェーンで不正 => Mass Exitで親の階層に避難可能。 – 最終的にはRoot（⼀般的にはEthereum の階層）まで脱出する。沢⼭のBlockchainを親、⼦、孫…の関係でつなぐ。 https://plasma.io/plasma.pdfより図: Blockchains in Blockchains

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14 ©Gunosy Inc. Plasma MapReduce Map Reduceの形式を取ることで1txの処理能⼒を拡張していく。 n 課題 – Blockchainではtxの処理が⼤きすぎると現実的に計算が難しい。 n Map Reduce – ⼊⼒データを複数チャンクに分割して多数のノードに分散処理させる。 n Plasmaでのmap reduce – 親⼦孫…のチェーン階層間でタスクを分散処理。 – TrueBitを参考に設計されている模様。複数階層のPlasmaチェーンを⽤いて分散処理基盤へ。 Parent Chain Chain For Word Split Chain For Word Split Chain For Word Count Chain For Word Count Text Words Words 図：Map Reduce のイメージ Text

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15 ©Gunosy Inc. Plasmaの可能性

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16 ©Gunosy Inc. Plasma Chainの⾃由さ⽬的・⽤途に応じた独⾃のチェーンを⽤い、スケーラビリティを担保。 n Plasmaである為に必要なこと – RootChainとの連携 – e.g. Deposit/Exit/Challengeの監視等 n 独⾃のチェーン実装を持ち込む – 挙動が正しければ、そこにあるのはEVM 実装のチェーンでなくともよい（はず） – TendermintやLoom Networkの事例仕様に準拠していればそれ以外は⾃由に実装可能。 Tendermint Ethereum Loom Network Hyperledger Fabric Original Chain

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17 ©Gunosy Inc. Plasma Chainによる安全な拡張 Ethereumを⽀えるハッシュパワーに安全性を担わせる。 n Plasmaチェーンであるとは – そのチェーンにおけるblockを RootChainコントラクトに記録 – つまりEthereumを⽀える Miner/Validatorのセキュリティに乗ることができる！ n ユーザーの資⾦の責任はユーザーが負う – 資⾦盗難等の可能性を極⼒まで抑え込んで独⾃機能を作れる。 – 最悪ケースでもExitで守れる。 Plasma Chainとすることで⾃⾝の作ったチェーンのセキュリティ強化に。 Block Block Block Root chain Block Plasma Chain Block Block Rootchainのコンセンサスの元記録される submit

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18 ©Gunosy Inc. 事例：分散取引所 GOXを避けた安全なDEXの構築を⽬指すことができる。 n 階層構造を活かしたPlasma – ⼦チェーンに通貨ペアを割り当てし、それぞれで売り買いをマッチする。 – ユーザーは関⼼のある通貨ペアのチェーンのみ利⽤すればいい。 n Plasmaチェーンである利点 – Depositの保護機構により取引所のGOX リスクが⼩さくなる。 – 通貨ごとの⼤量の取引をMap Reduce的な機構で分散スケールさせられる。 DEXをPlasma チェーンとして構築する。 Ethereum Chain DEX Chain DEX Chain For GNT/ETH DEX Chain For OMG/ETH DEX Chain For eBTC/ETH 図: 通貨ペアごとの子チェーン

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19 ©Gunosy Inc. 事例：プライベートチェーン利⽤者保護とプライバシーを両⽴することができる。 n Private Chain – ⼀般にそのデータを公開しておらず、ブロックの提案も特定の集団で⾏われるチェーンを指す。 – 特にプライバシー等の課題でPublicが現状使えないユースケースに対応。 n Plasmaであるメリット – Ethereumのセキュリティを利⽤。 – チェーン利⽤者のデポジットを不正から保護することができる。プライベートなチェーンもEthereumの恩恵を受けることができる。 Block Block Block Ethereum Secret Block Data Private Chain Merkle Root記録 Exit

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20 ©Gunosy Inc. Plasma MVP

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21 ©Gunosy Inc. Minimal Viable PlasmaとはあくまでPlasmaの挙動の⼀部をシミュレートするものだが学習には最適。 n おおよその構成 – RootChainコントラクト – Plasma準拠の擬似的なBlockchain n 現状の実装例 – omisego/plasma-mvp – voltairelabs/plasma – …etc n 今回はomisego/plasma-mvpをベースに話をします。主にdepositとチェーン運⽤周辺の最⼩構成を⽰す実装提案。 https://ethresear.ch/t/minimal-viable-plasma/426 より

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22 ©Gunosy Inc. RootChain コントラクトの役割⼊出⾦とチェーン運⽤の最低限のデモを⽰すコントラクトがRootChain。 n DepositとExit – Plasmaチェーンに対する⼊⾦と出⾦。 – ⼊⾦イベントに応じてPlasmaチェーンがトークン発⾏ – Exit申請で⼀定期間後に出⾦ n Challenge – 不正な出⾦への控訴 n PlasmaチェーンのBlock記録 – Root側のセキュリティ強度に乗る。 – MerkleRoot記録による不正の防⽌。 ethのdepositとwithdrawal、その不正証明の取扱を担当します。 RootChain Deposit Plasma Chain Exit Challenge Block記録 User 監視

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23 ©Gunosy Inc. RootChainコントラクトを読んでみよう

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24 ©Gunosy Inc. Plasmaチェーンのブロックの記録 n ⼀定のBlock間隔で Plasmaチェーン側の BlockのMerkle rootをコントラクトへ記録。 n omisego/plasma-mvpにおいてはブロック⽣成と同時に呼び出しの模様

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25 ©Gunosy Inc. Deposit（Plasmaチェーンへの⼊⾦） n 送信者と送⾦額のハッシュ値をコントラクトに記録。 n 主に⼦チェーンに向けて、 Depositイベントを発⾏し⼊⾦された旨を伝える。

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26 ©Gunosy Inc. Deposit②⼦チェーン側の動き上: Ethereumのチェーンイベント監視下: Depositを自身のチェーンに反映させる下記は子チェーン側の実装 n Depositイベントを監視し検した場合はapply_depositを呼び出す。 n apply_depositでは⼊⾦に対応するUTXOを⽣成し⼊⾦ BlockとしてBlock⽣成を⾏う。 n UTXOがDepositを返還する際の預り⾦証明となる。

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27 ©Gunosy Inc. DepositからExitの流れ①Exitの提出 Exit開始のリクエストをユーザーが生成 TxのRLPをdecodeして txの位置、address抽出・exit提出者のUTXOである・署名が正しい・Merkle treeに含まれるという点のチェック Utxoの存在位置を重みとした Priority Queueに追加

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28 ©Gunosy Inc. DepositからExitの流れ② finalize n 定期的にfinalizeExitsを呼び出す。（主体は誰でもいい） n ⼀定期間たったExitを古い UTXO順に出⾦完了させる。

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29 ©Gunosy Inc. User 正常系をまとめると Plasma Chain Send deposit (ETH) Send deposit event Check UTXO Record deposit & Create UTXO Start Exit with tx & signature Check signature & Add to Priority Queue Wait 7 days… & finalizeExit Return ETH corresponded to a tx. Record deposit

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30 ©Gunosy Inc. 不正なExitの類型不正がないか監視し、その証拠を提出するという作業が必要になる。 n ⼆重⽀払い – 使⽤済みのUTXOの引き出しとも⾔える – 不正証明（Fraud Proof）の提出で対処 n 過剰な引き出しや不正なトークン⽣成 – 対応するUTXOが記録されていないので不可能 n Block Withholding Attack等のチェーン全体の不具合 – Mass Exitでチェーンに対するDepositを全て元の持ち主が取り返す。不正にDepositを引き出すなどのケースにDecentralizedな対応が必要。 Unused Tx Output Tx Output ①使用済みTXO 存在しない Tx Output ②虚偽のTXO ③チェーン自体の不正 Exit Exit

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31 ©Gunosy Inc. Fraud Proofの提出提出したtxからFraudな UTXOの位置を取り出す対象exitのownerのものか確認し、またtxがmerkle root に正しく含まれるものか確認 Fraud Proofが正当なら Exitを削除 confimationHashとsigは startExit時に提供されたもの

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32 ©Gunosy Inc. Priority Queue 最終⼿段としてのMass-exit Mass exit後のチェーンは基本的に停⽌、別チェーンの作成を想定 n あくまで将来的な仕様で、exitしたい全ての⼈から署名を集めて実⾏。 n Priority QueueによるExit優先度調整 – 古いUTXOから順に出⾦ n 古い順に処理されるため、不正な出⾦・アクション以前に関しては、かならず正しい持ち主に正しい⾦額が変換される。 n ユーザー喪失を⽣むため、運⽤者の不正に対するマイナスのインセンティブになる。全Depositに対してExitを提出する。 Exit Frauded Block: 123 Block: 122 Tx idx: 2 Block: 115 Tx idx: 14 Exit ここでは Deposit不足に

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33 ©Gunosy Inc. Minimal Viable Plasmaに無いもの MVPはあくまで⾮中央集権的なデポジット運⽤の最⼩実装。 n Blockchain間の連携 – 親チェーンが⼦チェーンにタスクを委譲 – MapReduceのような処理機構を作る。 n Plasma PoS – 専⽤トークンによってPoSコンセンサスを実⾏。（e.g. OMGトークン） n 余談だがMVP実装のPlasmaチェーンはHash chainではなく挙動を模しただけのもの Plasma⾃体は他にもいくつかの機能・制約を提案している。 Parent Chain Chain For Word Split Chain For Word Split Chain For Word Count Chain For Word Count Text Words Words 図：Map Reduce のイメージ Text

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34 ©Gunosy Inc. Plasma Cash / XT

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35 ©Gunosy Inc. Plasmaの課題とPlasma Cash

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36 ©Gunosy Inc. Plasmaの課題利⽤者に対するデータサイズ等の負荷が⼤きく、⾮⼒な環境で動かせない。 n ⾃分のUTXOの不正使⽤確認にあたって、ブロック内の全データを検証必須 – Merkle Treeのどの位置に⾃分のUTXO に関する不正TXが記録されるか不明 – 特に通常のUserは⾃分の通貨監視を常に⾏えないため、同期時に全txを取りに⾏くことになる n 結果として、ユーザーは全てのブロックデータを保持することになる。 – 1年運⽤するだけでも数⼗GB以上、相当量のデータになる⾒込み。不正を監視し、UTXOが利⽤可能だと⽰すために必要なデータの量が課題。 Merkle Treeのどこに関連する不正なtxが記録されるか不明

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37 ©Gunosy Inc. No Fungible Token それぞれのコインがIDを持つ Fungible Token コインに区別が無い、等価前提知識：No Fungible Token 特定のトークンが誰から誰に渡ったか記録可能な仕組み。 n Fungibility（代替可能性） – 「どの1万円札も等しく価値は1万円である」という概念と考えるとよい。 n NFT = 各トークンに個別の価値を付加 n ⼀つ⼀つのトークンに唯⼀性が備わることで様々な⽤途に利⽤されている。 – 有名な事例: Crypto Kitties n Ethereumでの仕様 – ERC721トークン 1つ1つのTokenにIDを付与したToken設計を指す。 ID:１ ID:2 ID:3 1ETH 1ETH 1ETH

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38 ©Gunosy Inc. Plasma Cashの登場ユーザーが監視すべきデータを log(Coin発⾏数) に抑える。 n ⼊⾦額に応じた個別のコイン(NFT)を発⾏ – 現状の提案では、1つのコイン⾃体を分割することは不可、⼊⾦に応じたコインが発⾏される。 n コインの譲渡記録としてのMerkle Tree – 各ブロックにはコインの譲渡を表現するデータ構造をNodeとしたMerkle Treeの Rootが記録される。 n ユーザーは⾃⾝の持つコインのIDに応じた Merkle Treeのノードだけに関⼼を持てば良くなる。 DepositしたものをNFTのような個別のCoinとしてPlasmaチェーン側で利⽤。 Parent Chain Side Chain 1 入金入金額分のNFT 2

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39 ©Gunosy Inc. Plasma Cashのメリット⾃⾝に関連するデータに限定して監視できるため⾼効率。 n 監視するデータ構造 – Plasma: Merkle Treeの全体 – Cash: Merkle Treeのうち、⾃⾝のもつ CoinのID対応部と必要最低限のMerkle Proof n ブロック当たりのチェックすべきデータの効率はlog(コイン数）へ n Exitの監視がしやすく、不正を潰すための期間も短く出来る可能性ユーザーがチェックすべきデータを削減できる。・署名・前回txへのポインタ・NFTの移転先

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40 ©Gunosy Inc. Plasma CashのDeposit/Exit Depositで発⾏したコインのIDを⽤いてExitを要求する。 User Plasma Chain ETHなどを送金し預託預託のイベント発生 NFTが自身の所有になっていることを確認自身のチェーンで NFTを発行当該コイン所有の証拠となる所有者の移転履歴2つを提出出金依頼を優先キューに追加する N日後、出金を有効化する。出金依頼分のETH等を取り出し預託金の記録不正があればこのタイミングで証拠を提出し棄却

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41 ©Gunosy Inc. Plasma CashのChallenge 特定のコインの移転履歴を提供することで不正を証明。１１正常なExit 2 3 4 E １ E 所有権移転 Exitの発生参照関係不正なtx Txの提出１不正① 消費済みcoinのExit 2 3 4 E Txの提出このケースでは4番のtxが含まれるMerkle Proofを Challengeで提出

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42 ©Gunosy Inc. Plasma CashのChallenge 特定のコインの移転履歴を提供することで不正を証明。１１不正② 二重使用 2 3 4 E １ E 所有権移転 Exitの発生参照関係不正なtx Txの提出１不正③ 不正なtx以降のCoinに対するExit 2 3 4 5 Txの提出 3番のtxが含まれる Merkle Proofを Challengeで提出このケースでは対話的Challenge Challengerは1,2番のMerkle Proof を提供、それに連なる4番までの BlockをExiterが提供できるか確認 E

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44 ©Gunosy Inc. Plasma Cashの課題ブロック数×log（Coin発⾏数）を下回るサイズに押さえ込みたい。 n Blockあたりデータサイズはlog(コイン数）のハッシュ⽂字列のサイズ n 1年運⽤した際のブロックサイズの事例 – Hash = 32byte – Coin = 65532（=2^16）枚 – Block time = 15秒 – 上記仮定のもとでBlockあたり512byte – 結果として1年で1GBに達する。 n 1GBのデータを同期するのはモバイル端末等⾮⼒な環境だと厳しい。 Plasma Cashになってもデータ量はやはり⼤きい。図: ID=3のホルダーが保持しておくべきMerkle Proof

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45 ©Gunosy Inc. 前提知識：署名を収集する収集対象者数分のbitデータサイズで署名の提出状況を記録する⼿法。 n ある議題mにたいして、n⼈の投票者が署名することで投票する状況を考える – Mに対して各位が秘密鍵で署名することで偽り無く投票したことがわかる – このケースではデータサイズが投票⼈数分必要になる n n bitsのビット列Bを⽤意し、署名集約者cが投票者から署名を集め、投票者iが署名を提供した場合1をBのi bitに設定する – 仮にcが不正にbitを1にした場合、対象の投票者はchallengeを⾏い、cが署名を公開できるか確認することで不正を防ぐ投票⾏動において、データ効率を改善するための提案。 n = 4 B = 0x1101 Sig Sig Sig 署名提出者

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46 ©Gunosy Inc. Plasma XTの登場 Coinが利⽤可能だと⽰すにはチェックポイントを⽰すだけで⼗分に。 n 最終的に知りたいのは特定のCoinを誰が最後に持っていたかという信頼できる情報 n Plasma XTでは、BlockのMerkle Treeだけではなく、各コインの所有者アドレスをNode としたチェックポイントデータを構成する。 n チェックポイントが正しい限りにおいて、 Exitの不正を証明するにはチェックポイント以降のデータで済むはず。 n チェックポイントの作成はBlockchainの運⽤者が⾏う。署名を集約して、Coinの保有者リストを定期的にチェックポイント化する。

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47 ©Gunosy Inc. チェックポイントの作成とChallenge 単純な考え⽅だと、都度チェーンの運⽤者がチェックポイントを作る。 Deposit 署名所有権に対する不正証明この時点での各コインの所有者情報を集約、提出 Challenge Depositの付与チェーンオペレータ User Plasma Chain 【Operator依存の課題】オペレータがMerkle Root以外伏せた場合に不正が⾒えない

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48 ©Gunosy Inc. チェックポイント署名集約を利⽤したチェックポイントの作成⼩さなデータ量で不正を判断できる。チェーンオペレータ 1 3 4 2 Coin (数字はID) 署名提出 Bit列 1101 当該bitのコイン所有証明⾃⾝のコインのBitが不正に1だったらChallengeし Bitを0にする。 User User 空値

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49 ©Gunosy Inc. Plasma Cash/XTに対する疑問点 Plasma Cash/XT ⾃体もまだ研究段階の技術、今後の改善が必要。 n 部分的コイン利⽤の難しさ – 例：10ETHをdepositしたコインで 5ETH分だけを消費することが現状想定されていない。 l コインを⼩さくしすぎるとProofサイズやWithdrawのコスト増⼤に。 l 確率的paymentなるものも提案されている。 n XTでのチェックポイント設計 – Challengeに必要なコストを正しく設計しなければPlasma Cashと同等のデータサイズに戻ってしまうが、正しさとは？ Plasma Cash/XTでは分割不可能なNFTを利⽤することによる制約がある。 10 ETH 5 ETH 5 ETH Bさん Aさん Aさん

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51 ©Gunosy Inc. 直近の議論 n Exit中の資⾦を証券と⾒⽴てた⼿法 n 証券をディスカウントして売却することで結果的に⾼速Exit n ルートチェーンの特定コントラクトアドレスを利⽤したBurnの仕組みが斬新。 Simple Fast Withdrawal n Plasma CashのCoinが表現する⾦額を書き換え可能にする変更 n BlockのMerkle Treeの Nodeをアドレス + coinの額⾯に変更 n 額⾯をtx時に書き換えられる仕組みへ。 Plasma Debit n Plasma MVPのより具体的な実装 n Exitの処理優先度を Outputの古さから Input基準に切り替えるなど。 n 形式証明でその仕組の正当性を証明している。 More Viable Plasma 未だ実装については様々進んでおり、キャッチアップが重要。 Plasma Cashの改善や⾼速なExitといったトピック。