HARE:解析 Celestia 與 DA

大家都知道，區塊鏈技術的一個特點就是：存放在鏈上的數據是安全可靠的，不可篡改的。那數據可用性是指的什么呢？難道區塊鏈的共識不能保證數據的安全了嗎？顯然不是，區塊鏈數據的安全性，是大家都認可的，也是區塊鏈一直持續發展的一個動力之一。那么 DA（數據可用性）層是什么，我們先來看看下面幾種情況。

一個節點如果想驗證某一筆交易或者某一個區塊，這個節點需要下載所有的區塊和交易數據。由于區塊鏈的持續運行，區塊和交易數據會持續增長，這個節點的成本也會越來越高。以至于越來越多的節點（特別是個人用戶）只能選擇運行輕節點。這些輕節點，沒有下載所有的交易數據，它們不能對交易和區塊進行驗證，只能相信它們選擇的共識節點（全節點）。因此，實際上這些輕節點是不知道獲得的數據是否可用。

同時區塊鏈網絡為了提高效率，一直在嘗試進行擴容。以太坊的 L2 就是以太坊的一種擴容方案，從而提高以太坊的吞吐量。但 L1 和 L2 在本質上還是兩個網絡，L1 是不會參與 L2 的共識，也不會驗證和執行 L2 的交易，同理 L2 也不會參與 L1 的共識，亦不會驗證和執行 L1 的交易。但是在此時，L1 與 L2 之間其實是有信任問題的，例如：Rollup 要求將所有交易數據都記錄到以太坊的交易中，那么 Rollup 的用戶為了驗證自己的交易是否存入以太坊，他還需要運行一個以太坊的全節點嗎？

SPACE ID與ENS合作實現.bnb.eth和.eth.bnb的相互解析:金色財經報道，Web3域名和身份平臺SPACE ID與以太坊域名服務ENS達成合作，通過ERC-3668（CCIP讀取）將.bnb域名引入以太坊網絡，實現.bnb.eth和.eth.bnb的相互解析。在MetaMask上輸入xxx.bnb.eth，會在以太坊上解析為用戶的BNB Chain地址。[2023/5/5 14:44:15]

從目前區塊鏈的工作機制當中我們可以知道，當一個節點不參與共識的時候，特別是沒有存儲所有交易數據的時候，對于它自己獲得的數據是否有效它是無法驗證的，這些節點目前都只能相信自己連接的共識節點不會欺騙自己，或者多連接幾個共識節點，做一個小小的容錯。

因此DA層解決的問題是，在不參與共識、以及不用存儲所有交易數據的情況下，依然能夠對交易進行驗證，從而證明這個交易是否可用。

在上面先介紹了什么是 DA，接下來，我們再來看看 Celestia 項目是打算如何來解決這個問題的。

Celestia 項目圍繞二維 Reed-Solomon 糾刪碼，設計了一套隨機抽樣來驗證數據、以及恢復數據的方案從而確保數據可用。

當一個全節點發現輕節點收到有問題的數據時，會構建一個欺詐證明并發送給這個輕節點，輕節點收到欺詐證明之后，從網絡中通過隨機抽樣的方式，獲得需要的數據，來驗證這個欺詐證明是否有效，從而能夠明確的知道自己之前獲得的數據是否可用。輕節點不需要信任給自己發送數據的節點，也不需要信任給自己發送欺詐證明的節點，這是因為輕節點是通過隨機抽樣的方式，來獲取進行此次驗證所需要的數據，因此安全性能是由整個網絡來提供的。這樣也使得DA 層的安全等級，能夠接近共識層的安全等級。

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接下來，我們來了解一下 Celestia 具體是如何工作的。由于 Celestia 項目還處于開發測試階段，因此這里采用的都是現階段的白皮書的介紹方案，可能會與實際的解決方案有出入。

欺詐證明的驗證，必須是高效的，并且不需要全部的交易數據，也不需要執行具體的交易，因此 Celestia 對于自己區塊的數據，進行了一些擴展。

狀態的稀疏默克爾樹的根，這種默克爾樹的葉節點，是一個 key-value 對。

定義了一種變量，狀態見證(w)：是一些 key-value 對，以及他們在默克爾樹中的證明，組成的集合：

定義了一個函數，rootTransition ：可以通過狀態根、交易、以及這些交易的狀態見證，轉換得到交易執行后的狀態的根。也就是每個交易執行后的狀態的默克爾根 stateRoot`可以通過rootTransition(stateRoot, t, w) 得到

聲音 | 魯春叢：推動區塊鏈的創新技術在標識解析中深度應用:據中國信通院官網，8月15日，在中國工業互聯網標識大會上，工業和信息化部信息通信管理局副局長魯春叢演講表示，大力推進標識解析技術，標準研制，搭建規模性基礎技術創新以實驗的環境，聯合產學研用各方面力量，促進新型標識體系的研制，推動區塊鏈的創新技術在標識解析中深度應用。據介紹，標識解析體系是工業互聯網的核心基礎設施，是新一代互聯網的“中樞神經”。[2019/8/18]

將交易，以及這些交易執行的中間狀態根，組合成一個固定大小與固定格式的shares 。這些所有的交易的shares ，按照二維RS糾刪碼，進行擴展，最后得到一個默克爾樹的根，即dataRoot。

具體步驟

將初始的交易數據，按照 shares 的大小與格式進行封裝。

將 shares 放入一個 k×k 的矩陣，如果數量不夠，則填充補齊。

然后應用 RS 糾刪碼，按照行和列進行 3 次補齊，最終得到一個 2k?2k 的矩陣。

對這個矩陣的每一行和每一列，都構建一個默克爾樹，得到 2?k 個行根和 2?k 個列根。

動態 | 基于共治鏈的共治根域名解析架構發布:據光明網消息，在日前由國家互聯網信息辦公室指導、中國互聯網絡信息中心（CNNIC）主辦的中國互聯網基礎資源大會上，中國互聯網絡信息中心主任曾宇發布了基于共治鏈的共治根域名解析架構。中國互聯網絡信息中心（CNNIC）作為我國國家頂級域名注冊管理機構，負責國家網絡基礎資源的運行管理和服務，從2016年開始，開展區塊鏈技術在域名領域應用的研究，驗證了運用區塊鏈技術進行域名數據管理的可行性。在此基礎上，聯合多家單位設計了基于共治鏈的共治根新型域名解析系統架構。[2019/7/3]

最后將這 4?k 個根，組成一個默克爾樹，得到根 dataRoot。

shares

shares 是 Celestia 項目定義的一個固定大小和格式的數據結構。主要內容是交易，以及執行這些交易的中間狀態根。

由于沒有具體規定多少交易，需要生成對應的中間狀態根，項目方設定了一個 Period變量，作為最大限制周期，這個限制可以是最大多少交易之內必須生成中間狀態根，也可以是多少字節，或者多少 GAS。

動態 | 日本Catabira推出基于區塊鏈的數據解析平臺:據Prtimes消息，日本信息服務商Catabira宣布推出基于區塊鏈的商業服務級數據解析平臺Catabira Insights For Blockchain，將利用區塊鏈技術不可篡改的特性保證調查數據的真實性。[2018/11/8]

還定義了兩個函數來幫助驗證：

parseShares 函數：輸入 shares，得到消息 m，可以是中間狀態根，也可能是交易。

parsePeriod 函數：輸入消息，得到前狀態根，執行后狀態根，以及交易列表。

固定 256 字節

0-80：開始的交易

81-170：包含的交易

171-190：中間狀態根

191-256：下一批開始的交易

設定的格式舉例

白皮書中，介紹了兩種欺詐證明，下面將分別對此進行介紹：

這是一個針對 stateRoot 的一個欺詐證明。全節點利用 dataRoot 中的 shares，來幫助輕節點驗證收到的區塊頭中的 stateRoot 是否有效。

狀態轉換無效的欺詐證明的組成：

對應塊的 blockhash

相關的 shares

這些 shares 在 dataRoot 對應的默克爾樹中的默克爾證明

這些 shares 包含的交易的 狀態見證。

證明的驗證：

驗證 blockhash，確定是對于哪個區塊的欺詐證明。

驗證證明中的每個 shares 的默克爾證明是否有效。

通過 shares 的兩個解析函數，可以正確得到對應的交易列表，以及這批交易的執行前狀態根和執行后狀態根。并且如果執行前狀態根為空，則第一個交易一定是塊的第一筆交易；同時如果執行后狀態根為空，則最后一筆交易一定也是塊的最后一筆交易。

根據 rootTransition 函數，來驗證得到的兩個狀態根。

這是一個針對 shares 在網絡傳播時，當一個全節點從網絡中收到 shares 恢復的數據，與自己的數據不匹配時，會向網絡回應欺詐證明。

錯誤生成擴展數據的欺詐證明的組成：

錯誤的 shares 所在行或列的默克爾根。

這個行或列的默克爾根，在 dataRoot 對應的默克爾樹中的默克爾證明。

這足夠恢復這一行或列的 shares。（大于等于 k 個）

每個shares 在 dataRoot對應的默克爾樹中的默克爾證明。

驗證blockhash，確定是對于哪個區塊的欺詐證明。

驗證證明中行或列的默克爾根的默克爾證明是否有效。注：VerifyMerkleProof(行或列的默克爾根，行或列的默克爾根的默克爾證明，dataRoot，長度，位置索引) 其中前面2個數據是證明攜帶的數據，后面3個是本地（之前接收的）數據。

驗證證明中每個 shares 的默克爾證明是否有效。注：VerifyShareMerkleProof（shares，shares 的默克爾證明，dataRoot，長度，位置索引) 其中 dataRoot是本地數據，另外數據都是從證明中獲得。

通過收到的 shares，恢復這一行或列的所有數據，并驗證其默克爾根是否等于自己之前收到的對應行或列的默克爾根。

通過 2 維 RS 糾刪碼，Celestia 的輕節點通過隨機抽樣的方式，來獲取區塊數據，以及驗證欺詐證明的相關數據。同時隨機抽樣的數據，并在網絡中傳播，當達到一定的數量時，也可以幫助網絡恢復區塊數據。下面介紹一下具體的工作流程：

輕節點從任意一個連接的全節點中獲取一個新區塊的塊頭，以及 2k 個行和 2k 個列的默克爾根。先用這些默克爾根與區塊頭中的 dataRoot 進行初步校驗。如果錯誤則拒絕這個區塊頭。

在這個 2k × 2k 的矩陣中，輕節點隨機挑選一組不重復的坐標，將這些坐標發送給與自己相連的全節點們。

如果一個全節點擁有這些坐標所對應的所有數據，就會將這個坐標對應的 shares，以及 shares 的行或列的默克爾證明，回應給輕節點。

輕節點對于每一個收到的 shares，都會驗證其默克爾證明是否有效。注：VerifyMerkleProof（ shares，shares 所在行或列的默克爾證明，對應行或列的默克爾根，長度，坐標位置索引）其中前面 2 個數據是證明攜帶的數據，后面 3 個是本地（之前接收的）數據。

如果一個全節點沒有回應某一個坐標的 shares，輕節點則會將自己收到的對應的shares、以及它的默克爾證明發送給這個全節點，這個全節點也會將收到的數據轉發給相連的其他全節點。

如果步驟 4 中的驗證都沒有問題，并且步驟 2 中抽樣的坐標都有收到回應，同時在一個設定的時間段內沒有收到關于這個區塊的欺詐證明，則輕節點認為這個區塊是數據可用的。

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