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？

《交通强国建设宁夏试点任务实施方案》：推动区块链与交通运输深度融合:金色财经报道，交通运输部近日批复《交通强国建设宁夏试点任务实施方案》，《方案》指出将推动区块链等新技术与交通运输深度融合，实现数据信息资源跨部门、跨区域间共享与协同应用。[2021/9/8 23:09:55]

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。

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。

链上ChainUP WaaS联盟与VirgoX达成深度战略合作:据官方消息，链上ChainUP WaaS联盟宣布与VirgoX交易所达成深度战略合作，将为VirgoX提供全方位的WaaS联盟服务，包含主链开发接入、主链技术维护、主链资产托管等，双方就区块链技术应用落地、区块链金融服务、资金安全等方面深度合作。

VirgoX一站式数字资产交易平台，主要致力于稳定币交易，通过提供现货和期货交易、数字资产借贷模式，融合多种法币渠道，满足客户多样化的交易和理财需求。VirgoX已上线各类稳定币、优质数字资产项目、稳定币外汇期货以及其他数字资产衍生交易产品。目前已获得共识实验室、BR Capital、科银资本、初夏虎基金、Nova Club等多家机构投资。

WaaS联盟是链上ChainUP集团依托3年时间所服务的300多家交易所经验，将底层资产托管和钱包封装而成的一套完整的服务，包含资产托管、节点服务、主链币种开发、热门币种一键接入、共管钱包、借贷理财等多种功能服务，通过开放钱包API与SDK，帮助交易所、项目方、媒体等快速高效接入，实现云端资产安全托管，联盟内部转账0手续费，即时到账。目前，已有超过500家企业加入ChainUP WaaS联盟。[2020/10/9]

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。

现场 | 大汉软件房迎：面向政府服务的区块链需要深度场景挖掘:金色财经现场报道，9月25日下午，外滩大会区块链产业峰会在上海开幕。在《区块链生态上的公共服务体系》圆桌论坛上，大汉软件股份有限公司副总裁房迎指出，在政务数字化的环节中，特别是数字化应用的过程中，需要解决的问题还有很多，比如部门之间的数字壁垒、数据的过分共享等问题。另外，面向政府服务的区块链，需要深度场景挖掘，还有一段路要走。[2020/9/25]

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。

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

缤果合约（BingoEx）与币盈公社达成深度战略合作:据官方消息，缤果合约（BingoEx）与币盈公社达成深度战略合作，并签约成为缤果合约（BingEx）大中华区合约运营商，将享有全球市场运营、渠道商招募及全方面业务拓展等权益。双方在合约市场展开全方位合作，将在用户扩展、社区合作、品牌宣传方面等进行合作，助力社区人员拥有最佳的合约体验、建立线上社区以及线下运营中心，共同赋能行业发展。

据介绍，币盈公社由多位币圈操盘手组成，为散户提供数字货币操盘指导。目前币圈体系最完善的一个投教社区，涵盖数据采集部门，市场分析部门，交易培训部门。

缤果合约（BingoEx）隶属于BingoEx Capital集团，在美国注册成立的数字资产衍生品交易平台。截至目前，累计注册用户已有42万以上，系统采用多重底层安全技术，已与多家区块链安全服务平台达成合作。缤果合约（BingoEx）已正式开启全球合伙人招募。[2020/7/3]

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

动态 | 报告：区块链等技术将同众筹深度融合驱动众筹模式创新:9月18日，京东金融研究院与国家发改委经济研究所联合发布《无界众筹—助推创新创业升级的新范式 新工具》研究报告。研究报告指出，无界众筹时代，以大数据、智能科技、区块链、云计算为代表的新技术手段将同众筹深度融合，驱动众筹模式不断创新。[2018/9/18]

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。

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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