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

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？

工信部等五部门：将强化虚拟现实与区块链、数字孪生等技术深度融合:11月1日消息，工业和信息化部、教育部、文化和旅游部、国家广播电视总局、国家体育总局印发《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022—2026年）》，发展目标包括，到2026年，产业生态持续完善。我国虚拟现实产业总体规模超过3500亿元，虚拟现实终端销量超过2500万台，培育100家具有较强创新能力和行业影响力的骨干企业，打造10个具有区域影响力、引领虚拟现实生态发展的集聚区，建成10个产业公共服务平台。

计划指出，围绕近眼显示、渲染处理、感知交互、网络传输、内容生产、压缩编码、安全可信等关键细分领域，做优虚拟现实+内生能力，强化虚拟现实与5G、人工智能、大数据、云计算、区块链、数字孪生等新一代信息技术的深度融合，叠加虚拟现实+赋能能力。[2022/11/1 12:04:59]

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。

投资策略师：比特币处于某种深度价值区:金色财经报道，股票研究分析师和投资策略师 Lyn Alden 与艾美奖记者Natalie Brunell就比特币进行了交谈。奥尔登对比特币价格有这样的看法：

当比特币交易价格在 30,000 美元左右时，有一些迹象表明可能已经触底。但就宏观环境而言，目前还没有很多看涨催化剂，因此我不排除价格明显进一步下跌的可能性，但我确实认为，基于大多数对比特币或回顾比特币的历史，我们在这里处于某种深度价值区。 只要宏观形势如此不确定，我认为投资者永远不应该排除更多下跌的可能性。（cryptonewmedia）[2022/7/11 2:04:03]

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。

开源-联盟、ChainUP与四川链存科技有限公司达成深度战略合作:据官方消息，开源-联盟、ChainUP宣布与四川链存科技有限公司达成战略合作，双方将在IPFS分布式存储、Filecoin生态建设等方面展开深度合作，共同推进IPFS分布式文件技术、5G技术、云与边缘计算技术、Al大数据及区块链技术等创新技术应用落地。

开源-联盟 f040665 属于开源矿池节点，开源矿池致力于研发分布式存储，以为用户提供分布式存储解决方案为使命，产品包括分布式存储服务器、智能应用系统开发、算力云和分布式存储服务器托管运维等服务，目前拥有成熟的技术研发体系和完整的产业生产供应链。[2021/1/7 16:39:46]

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 | 浙江省省委教育工委书记：把区块链等信息技术与教育深度融合以促进教育发展:浙江省省委教育工委书记、教育厅厅长郭华巍在全省设区市教育局书记局长读书会上表示，要加快推进教育现代化，需要有新的动力、新的路径，也需要有新的方式、新的内涵。要把信息技术，如大数据、云计算、人工智能、区块链等技术与教育深度融合创新，以教育信息化引领和推动教育现代化。[2018/8/20]

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。

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。

中高会区块链产业联盟与NULS达成深度战略合作:5月7日，中国高科技产业化研究会区块链产业联盟（简称联盟）与NULS项目在北京达成战略合作。联盟理事长朱涛和NULS联合发起人王小莉出席签约仪式，双方将携手共建区块链技术研究院，并且就区块链人才培训、技术普及、应用落地等领域展开以下合作：NULS基金会出任任联盟理事会单位，NULS基金会理事杨霖担任联盟理事；联盟与NULS合作成立区块链技术研究院，为NULS项目提供代码检验服务；NULS入驻联盟打造的海南区块链产业特色小镇，双方将共同利用商务、技术、法律、学术等资源组织区块链培训课程，培训区块链高级人才；朱涛出任NULS项目顾问，为NULS项目在应用落地、专家团队社群组建工作上提供专业咨询与指导；NULS主网正式上线后，联盟将参与NULS全球节点竞选，旗下的“钥匙圈”DAPP将接入NULS主链。[2018/5/8]

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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