深度解析Data Availability与Celestia的解决方案

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

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]

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

Poolz Finance与MXC抹茶独家合作，双方将在项目孵化等深度合作:据官方消息，Poolz Finance与MXC抹茶独家合作，双方将在项目孵化、生态赋能等方面开展深度合作，双方将互相参与上线评委会，帮助资产筛选，并为项目提供IDO、M-Day等营销服务。

POOLZ（Poolz Finance）将于4月14日15:00上线MXC抹茶创新区。Poolz Finance是基于Web 3.0架构搭建的去中心化跨链IDO平台。[2021/4/12 20:10:30]

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：

动态 | 工信部信息化和软件服务业司将大力推动区块链和经济社会深度融合:金色财经报道，12月25日，2019新型数字基础设施峰会在北京举办。工业和信息化部信息化和软件服务业司副司长董大健参加并致辞。当前，以信息技术加速创新与融合渗透为突出特征的新一轮科技革命和产业变革正在蓬勃兴起。区块链作为多种IT技术的集成应用，对于构建我国安全可控信息技术体系，支撑经济高质量发展、提升国家治理体系和治理能力现代化水平，具有非常重要的意义。下一步，部信息化和软件服务业司将深入贯彻落实总书记在中央局第十八次集体学习上的重要讲话精神，加快推进区块链技术产业创新发展，大力推动区块链和经济社会深度融合。一是跟踪分析前沿动态，加快完善顶层设计；二是加强区块链核心技术研发，持续提高创新能力；三是加快应用落地步伐，推动区块链与实体经济融合；四是建立健全标准体系，构建完善产业生态；五是着力强化安全保障，引导产业健康发展。 来自区块链领域的专家、企业、科研院所等代表参加会议。[2019/12/31]

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

声音 | 湖南省委常委胡衡华：大力推动区块链、超级计算等新技术与交通行业深度融合:12月6日消息，湖南省委常委胡衡华在调研交通运输工作时强调，大力推动大数据、互联网、人工智能、区块链、超级计算等新技术与交通行业深度融合，构建跨层级、跨系统、跨部门、跨业务的城市综合交通大数据集成共享平台，加快智慧道路建设，让交通变得更加“聪明”（长沙晚报）[2019/12/6]

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。

京东金融研究院院长孟昭莉：区块链技术与金融领域结合的深度和广度还远未饱和:京东金融研究院院长孟昭莉认为，区块链技术与金融领域结合的深度和广度还远未饱和，应用前景广阔。“但也不可否认目前行业中依然存在一些风险需要我们注意及警惕。”一方面，区块链有被过度消费的倾向，一些不法组织和团体利用区块链概念进行和炒作，严重扰乱了区块链的市场秩序，必须理清区块链和“币圈”、ICO的界限，在合法合规的范围内应用技术。另一方面，相关技术尚待完善成熟，基于区块链技术的产品开发和推广门槛依旧较高，在区块链技术的开发和测试工作中，资金和技术成本依旧是限制区块链技术应用的瓶颈。[2018/5/18]

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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