SHA:深度解析Data Availability与Celestia的解决方案_Pegs Shares

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？

飞鱼矿业COO薛一飞：飞鱼矿业IPFS超级算力与业内矿机品牌供应商达成深度合作:据悉，2020年8月1日，由LBank、金色财经联合承办的“LBank和他的朋友们-2020百城计划”在郑州举行，会上飞鱼矿业的COO 薛一飞就IPFS发表了主题演讲，介绍了什么是IPFS，IPFS的分布式存储，IPFS的应用以及奖励计划。同时，他表示：飞鱼矿业IPFS超级算力多年深耕技术服务，与业内知名矿机品牌供应商、世界一流的矿场等深度合作，力争达到Filecoin算力的最优解。[2020/8/1]

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

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。

海南将区块链等前沿科技与社会治理深度融合:海南加快推进社会管理信息化平台建设，将5G、大数据、人工智能、区块链等前沿科技与市（县）域社会治理深度融合。（人民日报）[2020/3/25]

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

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。

声音 | 贵阳市委书记：要加快区块链和人工智能、大数据、物联网等前沿信息技术的深度融合和应用:11月28日，“贵阳政法大数据工程”顶层设计发布仪式和“政法大数据重点实验室”“中国政法大学政法大数据研究中心”揭牌仪式在筑举行。省委常委、贵阳市委书记、贵安新区党工委书记赵德明出席并讲话。赵德明指出，要加快区块链和人工智能、大数据、物联网等前沿信息技术的深度融合和应用，创造更多的大数据政用、商用、民用应用场景，构建科学化、精细化、智能化的城市治理新模式。要建立完善适应大数据健康有序发展的法律治理体系，加快制定数据资源确权、开放、流通、交易等相关法规制度，以良法善治促进数字文明发展。[2019/11/29]

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：

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

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。

声音 | 国海证券：看好能源区块链，远光软件将在能源区块链建设中深度受益:国海证券认为，能源区块链发展前景广阔，国网电商将是国网区块链技术研发和平台运营的主体，远光软件有深厚的区块链技术积累，将在能源区块链建设中深度受益。预计公司2019-2021年EPS分别为0.27/0.36/0.50元，对应当前股价PE分别为38/28/21倍，首次覆盖给予公司“买入”评级。（证券时报）[2019/9/18]

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。

shares

shares?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。

动态 | 山东省政府发布通知将推动区块链等技术深度融合:据齐鲁网3月20日报道，今日，山东省人民政府办公厅发布关于印发数字山东2019行动方案的通知，通知指出，要加快推动大数据产业创新发展，推动大数据与云计算、人工智能、物联网、区块链、虚拟现实等技术深度融合。[2019/3/20]

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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