深度解析Data Availability與Celestia的解決方案_SHA

作者：Bec修訂：Evelyn

什么是DataAvailability

大家都知道，區塊鏈技術的一個特點就是：存放在鏈上的數據是安全可靠的，不可篡改的。那數據可用性是指的什么呢？難道區塊鏈的共識不能保證數據的安全了嗎？顯然不是，區塊鏈數據的安全性，是大家都認可的，也是區塊鏈一直持續發展的一個動力之一。那么DA層是什么，我們先來看看下面幾種情況。一個節點如果想驗證某一筆交易或者某一個區塊，這個節點需要下載所有的區塊和交易數據。由于區塊鏈的持續運行，區塊和交易數據會持續增長，這個節點的成本也會越來越高。以至于越來越多的節點只能選擇運行輕節點。這些輕節點，沒有下載所有的交易數據，它們不能對交易和區塊進行驗證，只能相信它們選擇的共識節點。因此，實際上這些輕節點是不知道獲得的數據是否可用。同時區塊鏈網絡為了提高效率，一直在嘗試進行擴容。以太坊的L2就是以太坊的一種擴容方案，從而提高以太坊的吞吐量。但L1和L2在本質上還是兩個網絡，L1是不會參與L2的共識，也不會驗證和執行L2的交易，同理L2也不會參與L1的共識，亦不會驗證和執行L1的交易。但是在此時，L1與L2之間其實是有信任問題的，例如：Rollup要求將所有交易數據都記錄到以太坊的交易中，那么Rollup的用戶為了驗證自己的交易是否存入以太坊，他還需要運行一個以太坊的全節點嗎？從目前區塊鏈的工作機制當中我們可以知道，當一個節點不參與共識的時候，特別是沒有存儲所有交易數據的時候，對于它自己獲得的數據是否有效它是無法驗證的，這些節點目前都只能相信自己連接的共識節點不會欺騙自己，或者多連接幾個共識節點，做一個小小的容錯。因此DA層解決的問題是，在不參與共識、以及不用存儲所有交易數據的情況下，依然能夠對交易進行驗證，從而證明這個交易是否可用。Celestia

BMEX與土豆社區達成深度戰略合作關系:據官方消息，目前BMEX與土豆社區達成深度戰略合作關系，旨在為合約交易者普及更多行業知識，提升區塊鏈交易生態整體質量。

土豆社區是一家專注于資本市場交易領域的服務機構，擁有一套完整的交易體系，從交易前到盈利后，任何一個操作指令在發出前都會經過系統的分析，同時通過沉淀區塊鏈知識普及、數字金融行情分析、策略指導等知識，為旗下團隊給到系統化運作賦能支持。

BMEX是一家數字資產綜合服務平臺，致力于為用戶提供安全、信賴的數字資產交易及資產管理服務。[2021/3/25 19:17:33]

在上面先介紹了什么是DA，接下來，我們再來看看Celestia項目是打算如何來解決這個問題的。Celestia項目圍繞二維Reed-Solomon糾刪碼，設計了一套隨機抽樣來驗證數據、以及恢復數據的方案從而確保數據可用。當一個全節點發現輕節點收到有問題的數據時，會構建一個欺詐證明并發送給這個輕節點，輕節點收到欺詐證明之后，從網絡中通過隨機抽樣的方式，獲得需要的數據，來驗證這個欺詐證明是否有效，從而能夠明確的知道自己之前獲得的數據是否可用。輕節點不需要信任給自己發送數據的節點，也不需要信任給自己發送欺詐證明的節點，這是因為輕節點是通過隨機抽樣的方式，來獲取進行此次驗證所需要的數據，因此安全性能是由整個網絡來提供的。這樣也使得DA層的安全等級，能夠接近共識層的安全等級。接下來，我們來了解一下Celestia具體是如何工作的。由于Celestia項目還處于開發測試階段，因此這里采用的都是現階段的白皮書的介紹方案，可能會與實際的解決方案有出入。準備

動態 | 深大通與新麻成立合伙企業 探索區塊鏈與工業大麻業務場景的切入和深度結合:據格隆匯今日消息，深大通(000038.SZ)發布公告，公司于2019年4月17日與北京天益新麻生物科技有限公司簽署了《合作框架協議》。公告顯示，雙方擬利用各自優勢，共同成立大通-新麻有限合伙企業，主要投資方向為：工業大麻的全產業鏈整合及拓展，CBD產品的研發及境內外銷售，并將就區塊鏈與工業大麻業務場景的切入和深度結合進行探索，以獲取協同效應和價值釋放。[2019/4/18]

欺詐證明的驗證，必須是高效的，并且不需要全部的交易數據，也不需要執行具體的交易，因此Celestia對于自己區塊的數據，進行了一些擴展。1.stateRoot

狀態的稀疏默克爾樹的根，這種默克爾樹的葉節點，是一個key-value對。定義了一種變量，狀態見證(w)：是一些key-value對，以及他們在默克爾樹中的證明，組成的集合：

定義了一個函數，rootTransition：可以通過狀態根、交易、以及這些交易的狀態見證，轉換得到交易執行后的狀態的根。也就是每個交易執行后的狀態的默克爾根stateRoot`可以通過rootTransition(stateRoot,t,w)得到

聲音 | 訾小春：今年將重點推動區塊鏈等技術和郵政業深度融合:據河北新聞網消息，河北省郵政管理局局長訾小春接受采訪時表示，今年將加快落實“郵政業大數據發展”行動計劃，重點推動云計算、大數據、物聯網、區塊鏈、人工智能和郵政業深度融合。[2019/2/28]

2.dataRoot

將交易，以及這些交易執行的中間狀態根，組合成一個固定大小與固定格式的shares。這些所有的交易的shares，按照二維RS糾刪碼，進行擴展，最后得到一個默克爾樹的根，即dataRoot。具體步驟將初始的交易數據，按照shares的大小與格式進行封裝。將shares放入一個k×k的矩陣，如果數量不夠，則填充補齊。然后應用RS糾刪碼，按照行和列進行3次補齊，最終得到一個2k?2k的矩陣。對這個矩陣的每一行和每一列，都構建一個默克爾樹，得到2?k個行根和2?k個列根。最后將這4?k個根，組成一個默克爾樹，得到根dataRoot。

動態 | 最高法：積極推進區塊鏈等科技創新成果同審判執行工作深度融合:據中華人民共和國最高人民法院消息，1月17日，最高人民法院召開全國高級法院院長會議，會議強調，要積極推進大數據、人工智能、區塊鏈等科技創新成果同審判執行工作深度融合，努力攻克以智慧法院人工智能技術為標志的一批關鍵技術，大力推動“智審、智執、智服、智管”建設，扎實推進電子卷宗隨案同步生成及深度運用，以電子卷宗為基礎全面推進智能化輔助辦案工作，推動智慧法院建設向更高層次發展。[2019/1/17]

sharesshares是Celestia項目定義的一個固定大小和格式的數據結構。主要內容是交易，以及執行這些交易的中間狀態根。由于沒有具體規定多少交易，需要生成對應的中間狀態根，項目方設定了一個Period變量，作為最大限制周期，這個限制可以是最大多少交易之內必須生成中間狀態根，也可以是多少字節，或者多少GAS。還定義了兩個函數來幫助驗證：parseShares函數：輸入shares，得到消息m，可以是中間狀態根，也可能是交易。parsePeriod函數：輸入消息，得到前狀態根，執行后狀態根，以及交易列表。設定的格式舉例固定256字節0-80：開始的交易81-170：包含的交易171-190：中間狀態根191-256：下一批開始的交易白皮書中，介紹了兩種欺詐證明，下面將分別對此進行介紹：3.狀態轉換無效的欺詐證明

動態 | 國泰君安積極探索區塊鏈等技術 推動金融服務與科技深度融合:據新華網消息，近日，國泰君安君弘APP新推出的Level-2 Plus功能，積極探索移動互聯、大數據、人工智能、云計算、區塊鏈等新技術，推動金融服務與科學技術深度融合發展。[2018/9/27]

這是一個針對stateRoot的一個欺詐證明。全節點利用dataRoot中的shares，來幫助輕節點驗證收到的區塊頭中的stateRoot是否有效。狀態轉換無效的欺詐證明的組成：對應塊的blockhash相關的shares這些shares在dataRoot對應的默克爾樹中的默克爾證明這些shares包含的交易的狀態見證。證明的驗證：驗證blockhash，確定是對于哪個區塊的欺詐證明。驗證證明中的每個shares的默克爾證明是否有效。通過shares的兩個解析函數，可以正確得到對應的交易列表，以及這批交易的執行前狀態根和執行后狀態根。并且如果執行前狀態根為空，則第一個交易一定是塊的第一筆交易；同時如果執行后狀態根為空，則最后一筆交易一定也是塊的最后一筆交易。根據rootTransition函數，來驗證得到的兩個狀態根。4.錯誤生成擴展數據的欺詐證明

這是一個針對shares在網絡傳播時，當一個全節點從網絡中收到shares恢復的數據，與自己的數據不匹配時，會向網絡回應欺詐證明。錯誤生成擴展數據的欺詐證明的組成：錯誤的shares所在行或列的默克爾根。這個行或列的默克爾根，在dataRoot對應的默克爾樹中的默克爾證明。這足夠恢復這一行或列的shares。每個shares在dataRoot對應的默克爾樹中的默克爾證明。證明的驗證：驗證blockhash，確定是對于哪個區塊的欺詐證明。驗證證明中行或列的默克爾根的默克爾證明是否有效。注：VerifyMerkleProof(行或列的默克爾根，行或列的默克爾根的默克爾證明，dataRoot，長度，位置索引)其中前面2個數據是證明攜帶的數據，后面3個是本地數據。驗證證明中每個shares的默克爾證明是否有效。注：VerifyShareMerkleProof（shares，shares的默克爾證明，dataRoot，長度，位置索引)其中dataRoot是本地數據，另外數據都是從證明中獲得。通過收到的shares，恢復這一行或列的所有數據，并驗證其默克爾根是否等于自己之前收到的對應行或列的默克爾根。數據可用性

通過2維RS糾刪碼，Celestia的輕節點通過隨機抽樣的方式，來獲取區塊數據，以及驗證欺詐證明的相關數據。同時隨機抽樣的數據，并在網絡中傳播，當達到一定的數量時，也可以幫助網絡恢復區塊數據。下面介紹一下具體的工作流程：輕節點從任意一個連接的全節點中獲取一個新區塊的塊頭，以及2k個行和2k個列的默克爾根。先用這些默克爾根與區塊頭中的dataRoot進行初步校驗。如果錯誤則拒絕這個區塊頭。在這個2k×2k的矩陣中，輕節點隨機挑選一組不重復的坐標，將這些坐標發送給與自己相連的全節點們。如果一個全節點擁有這些坐標所對應的所有數據，就會將這個坐標對應的shares，以及shares的行或列的默克爾證明，回應給輕節點。輕節點對于每一個收到的shares，都會驗證其默克爾證明是否有效。注：VerifyMerkleProof其中前面2個數據是證明攜帶的數據，后面3個是本地數據。如果一個全節點沒有回應某一個坐標的shares，輕節點則會將自己收到的對應的shares、以及它的默克爾證明發送給這個全節點，這個全節點也會將收到的數據轉發給相連的其他全節點。如果步驟4中的驗證都沒有問題，并且步驟2中抽樣的坐標都有收到回應，同時在一個設定的時間段內沒有收到關于這個區塊的欺詐證明，則輕節點認為這個區塊是數據可用的。

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