HARE: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

BMEX携手桃花庵财富论坛与杭州恒东社区达成深度战略合作:据官方消息，BMEX携手桃花庵财富论坛与杭州恒东社区达成深度战略合作关系，双方将共同努力为交易用户提供交易指导，帮助更多数字货币初学者更快的熟悉市场方向与全方面的交易策略。

桃花庵财富论坛创办于2019年，拥有线上线下教学体系与社区管理团队，其社群实时盘面解析、公众号、直播课一体化培训扶持体系，合约社区。

BMEX是一家数字资产综合服务平台，目前已获美国与加拿大双监管牌照，拥有一键跟单、千倍杠杆等交易模式，致力于为用户提供多样、安全的数字资产交易及资产管理服务。[2021/5/14 22:01:31]

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

火币于佳宁：必须加快区块链与人工智能等前沿信息技术深度融合:中国通信工业协会区块链专委会轮值主席、火币大学校长于佳宁表示，区块链和隐私计算相辅相成，可以更好地挖掘分布式场景下数据要素的价值。未来，在“区块链+隐私计算”所搭建的生态里，每个人可以真正拥有自己的数据控制权，可以利用自己的“数字身份”安全存储数据，同时在使用某个业务时做“选择性披露”，从而进行可信安全的社会活动，并真正释放数据价值。于佳宁强调，在数字时代，要构建完整的数字产业生态，必须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，推动集成创新和融合应用，加快构建新型基础设施，助力百行千业全面转型升级，加速实现产业全面上链，推动数字经济与实体经济深度融合，从而整体驱动生产方式、生活方式和治理方式变革。”（证券日报）[2021/3/26 19:19:09]

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：

湖北省人民政府2021年工作报告：推动区块链等技术与产业深度融合:1月24日，在湖北省第十三届人民代表大会第五次会议上，省长王晓东作湖北省人民政府2021年工作报告。

工作报告指出，大力实施数字经济跃升工程，推动人工智能、大数据、物联网、区块链等与产业深度融合。

加快“两区一基地”建设，建设一批数字经济示范区。支持武汉、襄阳创建国家级车联网先导区。支持宜昌建设区域数据中心集群和智能计算中心。[2021/2/2 18:42:25]

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

BKEX Global与Deipool达成深度战略合作:据官方消息，BKEX Global与Deipool达成深度战略合作，Deipool借贷挖矿支持质押BKEX平台币BKK，质押BKK参与流动性借贷挖矿，每天都有一定比例的DIP收益。

BKEX Global于9月28日上线DIP（Deipool），Deipool致力于打造全球DeFi生态系统，为用户提供完备跨链的去中心化金融平台。Deipool是基于DAO机制的社区治理智能合约平台，打造去中心化钱包、借贷、融资、交易、预言、资管经纪人等DeFi技术设施为一体、跨链的金融科技服务生态。[2020/10/16]

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。

声音 | 科学技术部党组成员：各制造企业要加速区块链等新一代信息技术与制造业的深度融合:据新浪财经报道，科学技术部党组成员、科技日报社社长李平演讲表示，各制造企业要主动拥抱信息革命的最新成果，加速人工智能、5G和区块链等新一代信息技术与制造业的深度融合，加大科研和人才投入，重构制造业技术体系和价值链体系，提高智能化服务水平，努力掌握更多的核心技术和自主知识产权。[2019/12/29]

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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