ARE:深度解析Data Availability与Celestia的解决方案_SHA

作者：Bec修订：Evelyn

什么是DataAvailability

大家都知道，区块链技术的一个特点就是：存放在链上的数据是安全可靠的，不可篡改的。那数据可用性是指的什么呢？难道区块链的共识不能保证数据的安全了吗？显然不是，区块链数据的安全性，是大家都认可的，也是区块链一直持续发展的一个动力之一。那么DA层是什么，我们先来看看下面几种情况。一个节点如果想验证某一笔交易或者某一个区块，这个节点需要下载所有的区块和交易数据。由于区块链的持续运行，区块和交易数据会持续增长，这个节点的成本也会越来越高。以至于越来越多的节点只能选择运行轻节点。这些轻节点，没有下载所有的交易数据，它们不能对交易和区块进行验证，只能相信它们选择的共识节点。因此，实际上这些轻节点是不知道获得的数据是否可用。同时区块链网络为了提高效率，一直在尝试进行扩容。以太坊的L2就是以太坊的一种扩容方案，从而提高以太坊的吞吐量。但L1和L2在本质上还是两个网络，L1是不会参与L2的共识，也不会验证和执行L2的交易，同理L2也不会参与L1的共识，亦不会验证和执行L1的交易。但是在此时，L1与L2之间其实是有信任问题的，例如：Rollup要求将所有交易数据都记录到以太坊的交易中，那么Rollup的用户为了验证自己的交易是否存入以太坊，他还需要运行一个以太坊的全节点吗？从目前区块链的工作机制当中我们可以知道，当一个节点不参与共识的时候，特别是没有存储所有交易数据的时候，对于它自己获得的数据是否有效它是无法验证的，这些节点目前都只能相信自己连接的共识节点不会自己，或者多连接几个共识节点，做一个小小的容错。因此DA层解决的问题是，在不参与共识、以及不用存储所有交易数据的情况下，依然能够对交易进行验证，从而证明这个交易是否可用。Celestia

Vitalik：以太坊需要改进的不仅是协议的功能，需要对应用程序和钱包进行深度改变:金色财经报道，以太坊创始人Vitalik Buterin发布《The Three Transitions》文章。Vitalik称，当以太坊从一个年轻的实验性技术过渡到一个成熟的技术栈，能够真正为普通用户带来开放、全球和无需许可的体验，堆栈需要大致同时经历三个主要的技术过渡：向L2扩展过渡，每个人都转向Rollup；向钱包安全过渡，每个人都使用智能合约钱包；向隐私过渡，确保保护隐私的资金转移可行。

由于上述原因，这三个转变至关重要。但它们也具有挑战性，因为要妥善解决这些问题需要密切协调。需要改进的不仅是协议的功能；在某些情况下，我们与以太坊交互的方式需要从根本上改变，需要对应用程序和钱包进行深度的改变。[2023/6/9 21:27:01]

在上面先介绍了什么是DA，接下来，我们再来看看Celestia项目是打算如何来解决这个问题的。Celestia项目围绕二维Reed-Solomon纠删码，设计了一套随机抽样来验证数据、以及恢复数据的方案从而确保数据可用。当一个全节点发现轻节点收到有问题的数据时，会构建一个欺诈证明并发送给这个轻节点，轻节点收到欺诈证明之后，从网络中通过随机抽样的方式，获得需要的数据，来验证这个欺诈证明是否有效，从而能够明确的知道自己之前获得的数据是否可用。轻节点不需要信任给自己发送数据的节点，也不需要信任给自己发送欺诈证明的节点，这是因为轻节点是通过随机抽样的方式，来获取进行此次验证所需要的数据，因此安全性能是由整个网络来提供的。这样也使得DA层的安全等级，能够接近共识层的安全等级。接下来，我们来了解一下Celestia具体是如何工作的。由于Celestia项目还处于开发测试阶段，因此这里采用的都是现阶段的白皮书的介绍方案，可能会与实际的解决方案有出入。准备

Steve Aoki与JGN正式达成NFT深度合作:据官方消息，全球百大DJ音乐明星Steve Aoki与juggernaut(JGN)正式达成NFT深度合作关系，共同推进BSC的NFT生态的拓展。

据悉，Steve Aoki电子音乐家，曾与贾斯汀比伯、BTS、后街男孩等著名音乐唱作人合作。推特粉丝超800万，最近一个NFT系列以超过400万美元的价格售出。推特粉丝超800万，最近一个NFT系列以超过400万美元的价格售出。

JGN是BSC上的NFT + DeFi基础设施项目，当前JGN已经获得高盛集团（加拿大）、澳大利亚SFIP基金、币安 “种子基金”、软银集团（UK）、LD Capital等多家机构战略投资。[2021/9/4 22:59:06]

欺诈证明的验证，必须是高效的，并且不需要全部的交易数据，也不需要执行具体的交易，因此Celestia对于自己区块的数据，进行了一些扩展。1.stateRoot

状态的稀疏默克尔树的根，这种默克尔树的叶节点，是一个key-value对。定义了一种变量，状态见证(w)：是一些key-value对，以及他们在默克尔树中的证明，组成的集合：

天津与央企共同出资组建“通用机床”：推动区块链等技术创新与机床产业深度融合:近日，天津市国资委和中国通用技术集团共同出资100亿元组建的通用技术集团机床有限公司（简称“通用机床”），在天津市完成工商登记注册，这家央企的机床装备制造类二级总部正式落户天津。天津市国资委副主任刘智表示，近期，合作双方将推动所属企业部分股权注入通用机床，预计十年左右，通用机床及下属机床企业将突破一批高端数控机床领域的关键技术难题，主导产品总体技术水平和性能指标达到世界先进水平，产品数字化、网络化、智能化水平将得到显著提升，实现5G、人工智能、工业互联网、物联网、大数据、区块链等技术创新与机床产业的深度融合，构建形成自主可控、安全可靠的国内生产供应体系，为实现“制造强国”和天津市“制造业立市”战略发展目标提供有力支撑。（今晚报）[2021/7/20 1:04:38]

定义了一个函数，rootTransition：可以通过状态根、交易、以及这些交易的状态见证，转换得到交易执行后的状态的根。也就是每个交易执行后的状态的默克尔根stateRoot`可以通过rootTransition(stateRoot,t,w)得到

中行董事长：中行将深度参与数字货币应用和推广:中国银行董事长刘连舸表示，下一步，该行将紧跟政府政策导向，发挥全球化、综合化特色优势，加大对青岛实体经济的金融支持力度，深度参与胶东半岛一体化、数字货币应用和推广、工业互联网改造等重点领域发展，积极推动上合示范区、山东自贸试验区青岛片区建设，全力服务青岛高质量发展。（中国银行保险报网）[2020/11/19 21:16:16]

2.dataRoot

将交易，以及这些交易执行的中间状态根，组合成一个固定大小与固定格式的shares。这些所有的交易的shares，按照二维RS纠删码，进行扩展，最后得到一个默克尔树的根，即dataRoot。具体步骤将初始的交易数据，按照shares的大小与格式进行封装。将shares放入一个k×k的矩阵，如果数量不够，则填充补齐。然后应用RS纠删码，按照行和列进行3次补齐，最终得到一个2k?2k的矩阵。对这个矩阵的每一行和每一列，都构建一个默克尔树，得到2?k个行根和2?k个列根。最后将这4?k个根，组成一个默克尔树，得到根dataRoot。

顺发恒业：致力实现区块链等产业资源与未来社区开发建设深度融合:顺发恒业（000631.SZ）发布2019年度报告摘要，在公司主营业务概述中提到，该公司积极推进产业战略升级，适时积极参与大股东聚能城开发建设与运营服务，致力实现能源科技、清洁能源、智能出行、区块链等相关产业资源与未来社区开发建设深度融合，赋能产业协同发展。（证券时报）[2020/3/26]

sharesshares是Celestia项目定义的一个固定大小和格式的数据结构。主要内容是交易，以及执行这些交易的中间状态根。由于没有具体规定多少交易，需要生成对应的中间状态根，项目方设定了一个Period变量，作为最大限制周期，这个限制可以是最大多少交易之内必须生成中间状态根，也可以是多少字节，或者多少GAS。还定义了两个函数来帮助验证：parseShares函数：输入shares，得到消息m，可以是中间状态根，也可能是交易。parsePeriod函数：输入消息，得到前状态根，执行后状态根，以及交易列表。设定的格式举例固定256字节0-80：开始的交易81-170：包含的交易171-190：中间状态根191-256：下一批开始的交易白皮书中，介绍了两种欺诈证明，下面将分别对此进行介绍：3.状态转换无效的欺诈证明

这是一个针对stateRoot的一个欺诈证明。全节点利用dataRoot中的shares，来帮助轻节点验证收到的区块头中的stateRoot是否有效。状态转换无效的欺诈证明的组成：对应块的blockhash相关的shares这些shares在dataRoot对应的默克尔树中的默克尔证明这些shares包含的交易的状态见证。证明的验证：验证blockhash，确定是对于哪个区块的欺诈证明。验证证明中的每个shares的默克尔证明是否有效。通过shares的两个解析函数，可以正确得到对应的交易列表，以及这批交易的执行前状态根和执行后状态根。并且如果执行前状态根为空，则第一个交易一定是块的第一笔交易；同时如果执行后状态根为空，则最后一笔交易一定也是块的最后一笔交易。根据rootTransition函数，来验证得到的两个状态根。4.错误生成扩展数据的欺诈证明

这是一个针对shares在网络传播时，当一个全节点从网络中收到shares恢复的数据，与自己的数据不匹配时，会向网络回应欺诈证明。错误生成扩展数据的欺诈证明的组成：错误的shares所在行或列的默克尔根。这个行或列的默克尔根，在dataRoot对应的默克尔树中的默克尔证明。这足够恢复这一行或列的shares。每个shares在dataRoot对应的默克尔树中的默克尔证明。证明的验证：验证blockhash，确定是对于哪个区块的欺诈证明。验证证明中行或列的默克尔根的默克尔证明是否有效。注：VerifyMerkleProof(行或列的默克尔根，行或列的默克尔根的默克尔证明，dataRoot，长度，位置索引)其中前面2个数据是证明携带的数据，后面3个是本地数据。验证证明中每个shares的默克尔证明是否有效。注：VerifyShareMerkleProof（shares，shares的默克尔证明，dataRoot，长度，位置索引)其中dataRoot是本地数据，另外数据都是从证明中获得。通过收到的shares，恢复这一行或列的所有数据，并验证其默克尔根是否等于自己之前收到的对应行或列的默克尔根。数据可用性

通过2维RS纠删码，Celestia的轻节点通过随机抽样的方式，来获取区块数据，以及验证欺诈证明的相关数据。同时随机抽样的数据，并在网络中传播，当达到一定的数量时，也可以帮助网络恢复区块数据。下面介绍一下具体的工作流程：轻节点从任意一个连接的全节点中获取一个新区块的块头，以及2k个行和2k个列的默克尔根。先用这些默克尔根与区块头中的dataRoot进行初步校验。如果错误则拒绝这个区块头。在这个2k×2k的矩阵中，轻节点随机挑选一组不重复的坐标，将这些坐标发送给与自己相连的全节点们。如果一个全节点拥有这些坐标所对应的所有数据，就会将这个坐标对应的shares，以及shares的行或列的默克尔证明，回应给轻节点。轻节点对于每一个收到的shares，都会验证其默克尔证明是否有效。注：VerifyMerkleProof其中前面2个数据是证明携带的数据，后面3个是本地数据。如果一个全节点没有回应某一个坐标的shares，轻节点则会将自己收到的对应的shares、以及它的默克尔证明发送给这个全节点，这个全节点也会将收到的数据转发给相连的其他全节点。如果步骤4中的验证都没有问题，并且步骤2中抽样的坐标都有收到回应，同时在一个设定的时间段内没有收到关于这个区块的欺诈证明，则轻节点认为这个区块是数据可用的。

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