拆解數據可用性層：模塊化未來中被忽視的樂高積木_ROL

作者：Jiawei，IOSGVentures

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對于輕客戶端的數據可用性，采用糾刪碼來解決該問題幾乎沒有異議，不同點在于如何確保糾刪碼被正確編碼。PolygonAvail和Danksharding中采用了KZG承諾，而Celestia中采用了欺詐證明。

對于Rollup的數據可用性，如果把DAC理解為聯盟鏈，那么PolygonAvail和Celestia所做的就是使數據可用性層更加去中心化——相當于提供「DA-Specific」的公鏈，以此提升信任級別。

未來的3至5年內，區塊鏈的架構必然由單體化向模塊化演變，各層呈現低耦合狀態。未來可能出現Rollup-as-a-Service、DataAvailability-as-a-Service等許多模塊化組件的提供商，實現區塊鏈體系結構的可組合性樂高。模塊化區塊鏈是支撐下一個周期的重要敘事之一。

模塊化區塊鏈中，執行層已經「四分天下」，后來者寥寥；共識層逐鹿中原，Aptos和Sui等嶄露頭角，公鏈競爭格局雖未塵埃落定，但其敘事已是新瓶裝舊酒，難以尋找合理的投資機會。而數據可用性層的價值仍然有待被發掘。

模塊化區塊鏈?ModularBlockchain

在聊數據可用性之前，我們先花點時間對模塊化區塊鏈進行簡要回顧。

圖片來源：IOSGVentures,據PeterWatts改制

關于模塊化區塊鏈的分層暫無嚴格定義，一些分層方式從以太坊出發，另一些則偏向通用化的視角，主要看在何語境下進行討論。

執行層：兩件事發生在執行層。對單筆交易而言，執行交易并發生狀態更改；對同批次的交易而言，計算該批次的狀態根。當前以太坊執行層的一部分工作分給了Rollup，即我們熟知的StarkNet、zkSync、Arbitrum和Optimism等。

結算層：可以理解為主鏈上的Rollup合約驗證狀態根的有效性或欺詐證明的過程。

共識層：無論采用PoW、PoS或其他共識算法，總之共識層是為了在分布式系統中對某件事達成一致，即對狀態轉換的有效性達成共識。在模塊化的語境下，結算層和共識層的含義有些相近，故也有一些研究者把結算層和共識層統一起來。

Arkham Intel Exchange首次批準追蹤Do Kwon錢包信息的賞金:金色財經報道，兩位匿名區塊鏈偵探因發現Do Kwon加密錢包的證據而在Arkham Intel Exchange上獲得了有史以來第一個賞金獵人獎勵，批準的賞金提交金額為 9,519.26 ARKHM，價值約4,950美元。

金色財經曾報道，Arkham Intel Exchange于7月10日推出，通過獎勵系統激勵用戶尋找鏈上數據，任何人都可以通過發布賞金來尋求信息，但提交的信息必須得到平臺的批準。如果成功，賞金獵人將獲得獎勵，而發布賞金的人會將信息保留90天，然后再傳播到Arkham社區。[2023/7/25 15:56:34]

歷史狀態層：由Polynya提出。因為在引入Proto-Danksharding之后，以太坊只在一定時間窗口內維護即時數據可用性，之后則進行修剪操作，把這項工作交給其他人。例如PortalNetwork或是其他存儲這些數據的第三方可被歸類于這一層。

數據可用性層：數據可用性存在什么問題？對應的解決方案各自是什么？這是本文要集中討論的問題，在此先不對它進行概括。

圖片來源：IOSGVentures

回到18、19年，數據可用性更多在于輕客戶端節點的語境；而在之后的Rollup角度下數據可用性又有著另一層含義。本文將分別從「節點」和「Rollup」的兩個不同語境來解釋數據可用性。

DAinNodes

圖片來源：https://medium.com/metamask/metamask-labs-presents-mustekala-the-light-client-that-seeds->

我們首先來看全節點和輕客戶端的概念。

由于全節點親自下載和驗證每個區塊中的每筆交易，因此不需要誠實假設來確保狀態被正確執行，有著很好的安全性保證。但運行全節點需要存儲、計算能力和帶寬的資源要求，除了礦工以外，普通用戶或者應用沒有動力去運行全節點。況且，如果某個節點僅僅需要在鏈上驗證某些信息，運行全節點顯然也是非必要的。

歐洲央行將從2024年開始探索基于DLT的金融市場結算工作:金色財經報道，根據周四發布的會議紀要，歐洲央行將從2024年開始探索基于分布式賬本技術(DLT)的金融市場結算工作。央行正在研究如何在金融機構之間的證券或外匯交易結算方面進行創新，同時還制定可供歐盟公民使用的零售央行數字貨幣（CBDC）的計劃。

文件稱，歐洲央行表示，預計將于2024年開始探索性工作，測試在真實和模擬批發交易中使用央行資金的情況。[2023/6/29 22:08:41]

這是輕客戶端在做的事情。輕客戶端是區別于全節點的一種說法，它們往往不與鏈進行直接交互，而依賴鄰近的全節點作為中介，從全節點請求所需要的信息，例如下載區塊頭、或是驗證賬戶余額。

作為節點的輕客戶端可以很快地同步整條鏈，因為它只下載和驗證區塊頭；而在跨鏈橋模型中，輕客戶端又作為智能合約——目標鏈的輕客戶端只需要驗證源鏈的代幣是否被鎖定，而無需驗證源鏈的所有交易。

問題出在哪？

這樣存在一個隱含問題：既然輕客戶端只從全節點那里下載區塊頭，而不是自己下載和驗證每筆交易，那么惡意的全節點可以構造一個包含無效交易的區塊，并把它發送給輕客戶端來欺騙它們。

我們容易想到采用「欺詐證明」來解決這個問題：即只需要1個誠實的全節點監測區塊的有效性，并在發現無效區塊后構造一個欺詐證明、將其發送給輕客戶端來提醒它們。或者，在收到區塊后，輕客戶端主動詢問全網是否有欺詐證明，如果一段時間后沒有收到，那么可以默認該區塊是有效的。這樣一來，輕客戶端幾乎可以獲得與全節點等同的安全性。

然而，在以上論述中，我們實際上假設了區塊生產者總是會發布所有的區塊數據，這也是生成欺詐證明的基本前提。但是，惡意的區塊生產者可能在發布區塊的時候隱藏掉其中的一部分數據。這個時候，全節點可以下載這個區塊，驗證它是無效的；但輕客戶端的特點使它們無法這樣做。并且由于缺少數據，全節點也無法生成欺詐證明來警告輕客戶端。

另一種情況是，可能由于網絡原因，一部分數據在稍后才會上傳，我們甚至無法判斷這時的數據缺失是客觀條件所致還是區塊生產者有意為之——那么欺詐證明的獎懲機制也就無法生效。

這就是我們要討論的在節點中的數據可用性問題。

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美國總統參選人小羅伯特?肯尼迪譴責拜登提出的比特幣挖礦稅:5月4日消息，美國2024年總統參選人小羅伯特?肯尼迪 (Robert F. Kennedy Jr.) 譴責了拜登提出的30%比特幣挖礦稅，并回應了人們對加密貨幣的擔憂。肯尼迪在推特上表示：“比特幣等加密貨幣以及其他加密技術是主要的創新引擎。美國政府阻礙該行業并推動其他地方的創新是錯誤的。拜登提議對加密貨幣挖礦征收30%的稅不是一個好主意。能源使用雖然是一個問題（盡管有些夸大），但比特幣挖礦的能源消耗與電子游戲差不多，而沒有人呼吁禁止它們。環境方面的爭論是一個選擇性的借口，用來壓制任何威脅精英權力結構的東西，比如比特幣。一些人提倡嚴格控制加密貨幣以防止它們被犯罪分子使用。但想要隱私的不僅僅是罪犯。持不同政見者和普通公民也是如此。政府通過控制銀行賬戶和支付平臺來騷擾敵人并鎮壓異議。”[2023/5/4 14:42:34]

?圖片來源：https://github.com/ethereum/research/wiki/A-note-on->

上圖中給出了兩種情況：其一，惡意的區塊生產者發布了數據缺失的區塊，這時誠實的全節點發出警告，但隨后該生產者又補充發布了剩余的數據；其二，誠實的區塊生產者發布了完整的區塊，但這時惡意的全節點發出了假警告。在這兩種情況下，網絡中的其他人在T3之后看到的區塊數據都是完整的，但都有人在其中作惡。

這樣看來，采用欺詐證明來確保輕客戶端的數據可用性是存在漏洞的。

解決方案

2018年9月，MustafaAI-Bassam和Vitalik在合著的論文中提出采用多維糾刪碼來檢查數據可用性——輕客戶端只需要隨機下載一部分數據并驗證，就能確保所有數據塊是可用的，并在必要時重建所有數據。

采用糾刪碼來解決輕客戶端的數據可用性問題幾乎沒有異議，PolygonAvail、Celestia中都采用了Reed-Solomon糾刪碼。

不同點在于如何確保糾刪碼被正確編碼：PolygonAvail和Danksharding中采用了KZG承諾，而Celestia中采用了欺詐證明。兩者各有優缺，KZG承諾無法抗量子，而欺詐證明依賴一定的誠實假設和同步假設。

除KZG承諾外，還有采用STARK和FRI的方案可用于證明糾刪碼的正確性。

DAinRollup

Rollup中的數據可用性是：在zkRollup中，需要使任何人可以自行重建Layer2的狀態，以確保抗審查；在OptimisticRollup中，需要確保Layer2的所有數據都被發布，這是構建欺詐證明的前提。那么問題在哪？

元宇宙UGC平臺YAHAHA完成4000萬美元A+輪融資，淡馬錫和阿里巴巴聯合領投:11月15日消息，元宇宙UGC平臺YAHAHA完成4000萬美元A+輪融資，本輪融資由淡馬錫和阿里巴巴聯合領投，三七互娛跟投，泰合資本擔任獨家財務顧問。融資款項將用于團隊吸納游戲行業頭部人才，并進一步擴張北美和亞太地區業務版圖。YAHAHA會通過工作室合作、加速器、全球活動、GameJams等多元化方式繼續支持其超過10萬的創作者群體。

據報道，公司于2022年4月發布了其產品的Alpha測試版本，海外地區用戶已經能夠在PC/Mac/移動端進行下載，且用戶能夠跨端同服進行互動。截止10月，YAHAHA的產品已吸引超10萬用戶注冊與體驗。在產品進一步推向市場的同時，YAHAHA團隊也已經擴張至近200人規模，在上海、芬蘭、首爾等地均設有辦公室，據悉公司將進一步在其他地區設立辦公室并招募當地團隊。[2022/11/15 13:07:08]

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?圖片來源：https://forum.celestia.org/t/ethereum-rollup-call->

我們來看Layer2的費用結構，除了固定花費外，與每批次交易筆數相關的變量主要在于Layer2的Gas花費以及鏈上數據可用性的支出。前者的影響微乎其微；而后者需要為每個字節恒定支付16gas，整體占到Rollup成本的80%-95%之多。

數據可用性很貴，怎么辦？

一是降低在鏈上存放數據的成本：這是協議層做的事情。在之前的文章中，我們提到以太坊正在考慮引入Proto-Danksharding和Danksharding來為Rollup提供「大區塊」，即更大的數據可用性空間，并采用糾刪碼和KZG承諾解決隨之而來的節點負擔問題。但從Rollup的角度去想，被動等待以太坊來為自己做適配是不現實的。

二是把數據放到鏈下。下圖列出了當前的鏈下數據可用性方案，通用化方案包括Celestia和PolygonAvail；在Rollup中作為用戶可選的方案包括StarkEx、zkPorter和ArbitrumNova。

意大利政府將為區塊鏈項目提供約4600萬美元補貼:金色財經報道，意大利經濟發展部宣布，從9月開始，某些區塊鏈項目將有資格申請高達4600萬美元的政府補貼。該部門表示，公共或私人研究公司能夠向政府申請資金，用于開發與人工智能、物聯網和區塊鏈技術相關的項目。該基金的初始預算為4500萬歐元（約4600萬美元）。該部門部長GiancarloGiorgetti表示，我們支持公司對尖端技術的投資，目的是鼓勵通過管理模式實現生產系統的現代化，這些管理模式越來越相互聯系、高效、安全和快速。（Cointelegraph）[2022/7/6 1:54:00]

圖片來源：IOSGVentures

以下我們具體來看這些方案。

DAProvidedbyRollup

在最簡單的Validium方案中，由中心化的數據運營商來負責確保數據可用性，用戶需要信任運營商不會作惡。這樣的好處是成本低，但實際上幾乎沒有安全保證。

于是，StarkEx在2020年進一步提出了由數據可用性委員會維護的Validium方案。DAC的成員是知名且在法律管轄區內的個人或組織，信任假設是他們不會串通和作惡。

Arbitrum今年提出了AnyTrust，同樣采用數據委員會來確保數據可用性，并基于AnyTrust構建了ArbitrumNova。

zkPorter則提出由Guardians來維護數據可用性，他們需要質押zkSyncToken，如果發生了數據可用性故障，那么質押的資金將被罰沒。

三者都提供了稱為Volition的選項：用戶按需自由選擇鏈上或鏈下數據可用性，根據具體的使用場景，在安全性和成本之間自行取舍。

圖片來源：https://blog.polygon.technology/from-rollup-to-validium-with-polygon-avail/

GeneralDAScenarios

提出上述方案基于這樣的想法：既然普通運營商的信譽度不夠高，那么就引入更權威的委員會來提高信譽度。

一個小型委員會的安全程度足夠高嗎？以太坊社區早在兩年前就提出了Validium的勒索攻擊問題：如果竊取了足夠的委員會成員的私鑰，使得鏈下數據可用性不可用，那么可以威脅用戶——只有他們支付足夠的贖金才能從Layer2提款。據RoninBridge和HarmonyHorizonBridge被盜的前車之鑒，我們無法忽略這樣的可能性。

既然鏈下的數據可用性委員會并非足夠安全，那么如果引入區塊鏈作為信任主體來保證鏈下數據可用性呢？

如果把前述的DAC理解為聯盟鏈，那么PolygonAvail和Celestia所做的就是使數據可用性層更加去中心化——相當于提供了「DA-Specific」的公鏈，擁有一系列的驗證節點、區塊生產者和共識機制，以此提升信任級別。

除了安全性的提升之外，如果數據可用性層本身就是一條鏈，那么它其實可以不局限于為某個Rollup、或者某個鏈提供數據可用性，而是作為通用化的解決方案。

圖片來源：https://blog.celestia.org/celestiums/

我們以Celestia在以太坊Rollup上的應用QuantumGravityBridge為例進行解釋。以太坊主鏈上的L2Contract像往常一樣驗證有效性證明或欺詐證明，區別在于數據可用性由Celestia提供。Celestia鏈上沒有智能合約、不對數據進行計算，只確保數據可用。

L2Operator把交易數據發布到Celestia主鏈，由Celestia的驗證人對DAAttestation的MerkleRoot進行簽名，并發送給以太坊主鏈上的DABridgeContract進行驗證并存儲。

這樣實際上用DAAttestation的MerkleRoot代替證明了所有的數據可用性，以太坊主鏈上的DABridgeContract只需要驗證并存儲這個MerkleRoot，開銷得到了極大的降低。

小結

圖片來源：IOSGVentures，據CelestiaBlog改制

在逐一討論上述方案后，我們從安全性/去中心化程度、Gas花費的角度來做一個橫向比較。注意，該坐標圖僅代表筆者的個人理解，作為模糊的大致劃分而非定量比較。

左下角的PureValidium安全性/去中心化程度和Gas花費都是最低的。

中間部分是StarkEx和ArbitrumNova的DAC方案、zkPorter的Guardians驗證者集方案，以及通用化的Celestia和PolygonAvail方案。筆者認為采用zkPorter采用Guardians作為驗證者集，對比DAC來說安全性/去中心化程度稍高；而DA-Specific區塊鏈的方案對比一組驗證者集又要稍高。與此同時Gas花費也相應增加。當然這只是極粗略的比較。

右上角的方框內是鏈上數據可用性的方案，有著最高的安全性/去中心化程度和Gas花費。從方框內部來看，由于這三種方案的數據可用性都由以太坊主鏈提供，故它們具有等同的安全性/去中心化程度。純Rollup方案對比單體化的以太坊來說顯然Gas花費更低，而在引入Proto-Danksharding和Danksharding之后，數據可用性的成本將進一步得到降低。

注：本文討論的「數據可用性」語境大多在以太坊之下，需要注意Celestia和PolygonAvail是通用化的方案，并不限于以太坊本身。

最后我們在表格中對上述方案做個總結。

圖片來源：IOSGVentures

ClosingThoughts

在討論完上述數據可用性問題之后，我們發現所有方案本質上是在三難困境的相互制約下做權衡取舍，而方案之間的區別在于權衡的「細粒度」不同。

從用戶角度考慮，協議提供同時鏈上和鏈下數據可用性的選項是合理的。因為在不同的應用場景之下、或者不同的用戶群體之間，用戶對安全性和成本的敏感程度亦各不相同。

上文更多討論了數據可用性層對以太坊和Rollup的支持。在跨鏈通信上，Polkadot的中繼鏈為其他平行鏈提供了數據可用性的原生安全保證；而CosmosIBC依賴于輕客戶端模型，故確保輕客戶端能夠驗證源鏈和目標鏈的數據可用性至關重要。

模塊化的好處在于可插拔和靈活性，能夠按需為協議做適配：例如卸下以太坊的數據可用性包袱，同時確保安全和信任級別；或是在多鏈生態下提升輕客戶端通信模型的安全級別，降低信任假設。不僅限于以太坊，數據可用性還可以在多鏈生態、甚至未來更多的應用場景下發揮作用。

我們認為：未來的3至5年內，區塊鏈的架構必然會由單體化向模塊化演變，各層呈現低耦合狀態。未來可能出現Rollup-as-a-Service、DataAvailability-as-a-Service等許多模塊化組件的提供商，實現區塊鏈體系結構的可組合性樂高。模塊化區塊鏈是支撐下一個周期的重要敘事之一。

其中，執行層的估值巨獸已經「四分天下」，后來者寥寥；共識層逐鹿中原，在Aptos和Sui等公鏈開始嶄露頭角后，公鏈競爭格局雖未塵埃落定，但其敘事已是新瓶裝舊酒，難以尋找合理的投資機會。

而數據可用性層的價值仍然有待被發掘。

References

https://twitter.com/ptrwtts/status/1509869606906650626

https://twitter.com/0xAlec/status/1545176941002575872

https://github.com/ethereum/research/wiki/A-note-on->https://vitalik.ca/general/2021/04/07/sharding.html

https://coinmarketcap.com/alexandria/article/what-is->https://dankradfeist.de/ethereum/2019/12/20/>https://vitalik.ca/general/2021/04/07/sharding.html

https://www.parity.io/blog/what-is-a-light-client/

https://ethereum.org/en/developers/docs/scaling/validium/

https://forum.celestia.org/t/ethereum-rollup-call->https://ethresear.ch/t/adamantium-power-users/9600

https://notes.ethereum.org/DD7GyItYQ02d0ax_X-UbWg?view

https://blog.polygon.technology/introducing-avail-by-polygon-a-robust-general-purpose-scalable->https://blog.polygon.technology/the->https://blog.celestia.org/ethereum-off-chain->https://blog.celestia.org/celestiums/

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