SHARE:深度解析Data Availability與Celestia的解決方案

作者：Bec

修訂：Evelyn

什么是DataAvailability

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。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？

工信部等五部門：將強化虛擬現實與區塊鏈、數字孿生等技術深度融合:11月1日消息，工業和信息化部、教育部、文化和旅游部、國家廣播電視總局、國家體育總局印發《虛擬現實與行業應用融合發展行動計劃（2022—2026年）》，發展目標包括，到2026年，產業生態持續完善。我國虛擬現實產業總體規模超過3500億元，虛擬現實終端銷量超過2500萬臺，培育100家具有較強創新能力和行業影響力的骨干企業，打造10個具有區域影響力、引領虛擬現實生態發展的集聚區，建成10個產業公共服務平臺。

計劃指出，圍繞近眼顯示、渲染處理、感知交互、網絡傳輸、內容生產、壓縮編碼、安全可信等關鍵細分領域，做優虛擬現實+內生能力，強化虛擬現實與5G、人工智能、大數據、云計算、區塊鏈、數字孿生等新一代信息技術的深度融合，疊加虛擬現實+賦能能力。[2022/11/1 12:04:59]

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。

工信部辛國斌：推動區塊鏈與金融深度融合 提高企業融資便利性:10月22日，在2020金融街論壇年會上，工業和信息化部副部長辛國斌表示，支持銀行在合理區間自主、理性確定對制造業相關企業的貸款利率，發揮貸款市場報價利率方向性和指導性作用。辛國斌稱，通過引導貸款利率下行等方式，推動金融部門降低企業融資綜合成本，強化金融科技創新，推動大數據、云計算、區塊鏈、人工智能與金融深度融合，提高制造企業融資的可得性和便利性。（新京報）[2020/10/22]

Celestia

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。

動態 | 廣州市黃埔區與開發區將在區塊鏈等領域實現深度融合 共同打造世界級先進制造業產業集群:據羊城晚報消息，12月6日，中共廣州市黃埔區委一屆十次全會暨廣州開發區黨工委2019年第四次工作會議在廣州市黃埔區、廣州開發區召開。根據會議內容，廣州市黃埔區、廣州開發區將重點與寶安區打造先進制造業協同發展先行先試地，依托該區制造業產業集群和寶安工業企業集聚優勢，建立產業共鏈、風險共擔、收益共享的“鏈上共同體”，在新一代信息技術、高端智能裝備、新材料、區塊鏈等領域實現深度融合，共同打造世界級先進制造業產業集群。[2019/12/7]

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。

準備

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。

1.stateRoot

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：

聲音 | 深圳市委書記：深圳將加快區塊鏈等技術深度應用，推動技術融合、業務融合、數據融合:據人民網深圳報道，12月1日，深圳建設中國特色社會主義先行示范區“數字政府”高級別研討會舉行。深圳市委書記王偉中致辭表示，深圳將切實發揮建設粵港澳大灣區和支持深圳建設中國特色社會主義先行示范區“雙區”利好疊加優勢，對標最高最好最優，率先探索完善數據管理和安全保護機制，加快大數據、人工智能、5G、區塊鏈等先進技術深度應用，推動技術融合、業務融合、數據融合，實現跨層級、跨地域、跨系統、跨部門、跨業務的協同管理和服務，打開數字世界新空間，增強數字經濟新動能，拓展數字生活新內涵，努力建設具有世界一流水平的新型智慧城市標桿市，用數據為國家治理體系和治理能力現代化賦能，更好滿足人民對美好生活的向往,為建設網絡強國、數字中國、智慧社會作出新的更大貢獻。[2019/12/2]

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

2.dataRoot

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。

動態 | 深大通與新麻成立合伙企業 探索區塊鏈與工業大麻業務場景的切入和深度結合:據格隆匯今日消息，深大通(000038.SZ)發布公告，公司于2019年4月17日與北京天益新麻生物科技有限公司簽署了《合作框架協議》。公告顯示，雙方擬利用各自優勢，共同成立大通-新麻有限合伙企業，主要投資方向為：工業大麻的全產業鏈整合及拓展，CBD產品的研發及境內外銷售，并將就區塊鏈與工業大麻業務場景的切入和深度結合進行探索，以獲取協同效應和價值釋放。[2019/4/18]

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。

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。

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。

設定的格式舉例

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

白皮書中，介紹了兩種欺詐證明，下面將分別對此進行介紹：

3.狀態轉換無效的欺詐證明

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。

4.錯誤生成擴展數據的欺詐證明

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。

每個shares?在?dataRoot對應的默克爾樹中的默克爾證明。

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。

數據可用性

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其中前面2個數據是證明攜帶的數據，后面3個是本地數據。

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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