一文簡析Celestia如何確保消息檢索結果的完整性_XNS

問題的由來：

為了實現鏈的容量擴展，Celestia承諾主權應用將只需下載與其有關的消息，而不用下載全部消息，但同時，不同應用的消息是打包在同一個區塊里面的，以實現平等的安全性。那么，如何保證當某個應用的執行節點向Celestia的存儲節點查詢消息時，存儲節點僅返回所有的相關消息，而且惡意存儲節點無法隱藏特定消息呢。

Celestia選擇的方案是，將稱為命名空間的應用標識符，插入到消息構成的默克爾樹的節點信息中。這樣做的好處是，可以處理存儲節點隱藏全部相關消息的情況，可以定位被隱藏的消息。另外，無需大幅度修改默克爾樹的生成邏輯，以確保存在一個節點，它的底層葉節點，包含且僅包含某個命名空間的全部消息，且能定位此節點。而只需要做三件相對簡單的事情，就可以確保默克爾樹的基本特性，不發生變化：

數據：休眠五年的巨鯨向幣安轉入6080ETH，獲利969萬美元:金色財經報道，The Data Nerd追蹤的數據顯示，大約4小時前（北京時間周三9:00PM左右），0xbd6開頭的巨鯨以1720美元/枚的價格向幣安轉入6080ETH（1046萬美元），賺取了969萬美元（14倍）的利潤。5年前，該地址曾從Kraken提出5萬枚ETH（510萬美元）。

鏈上數據顯示，該地址共賺取了5560萬美元的利潤，并且仍然持有6000枚ETH，未實現利潤為957萬美元。[2023/8/31 13:07:33]

首先，生成消息的默克爾樹之前，先按命名空間將消息分組歸并在一起，確保不同命名空間的消息沒有穿插，且命名空間是排好序的。

某以太坊IC0參與者地址，將價值1.16億美元的ETH轉入Kraken:金色財經報道，鏈上分析師余燼發推稱，某個以太坊IC0參與者地址，將61,216.6枚ETH（價值1.16億美元）轉入Kraken。該地址在2015年7月30日從Ethereum創世區塊中獲得61,216.6ETH，當時61,216.6ETH價值19,038美元（IC0價格0.311美元）。時隔八年后首次移動，轉入Kraken，目前價值1.16億美元。[2023/7/19 11:03:49]

其次，修改生成默克爾樹時使用的哈希函數，以便命名空間信息被包含進節點信息。

Ambient Finance已上線以太坊主網:6月19日消息，去中心化交易協議Ambient Finance發推稱，已上線以太坊主網。接下來一周，團隊將發布Ambient功能、理念與設計。Ambient Finance原名為CrocSwap。[2023/6/19 21:46:36]

檢查默克爾樹時，額外檢查排序是否無誤。

生成帶命名空間的默克爾樹：

前面我們說了，跟通用的默克爾樹邏輯相比，只有生成節點的哈希的函數不同。具體來說，就是在原哈希函數之上，又包裹了一層，使得節點哈希變成形如‘minNs|maxNs|原哈希’的形式，minNs和maxNs分別是此節點所有子節點中，最小和最大的命名空間。容易看出，對葉節點有minNs=maxNs，因為它只包含一條消息，只能有一個命名空間。默克爾樹是二叉樹，且我們已對消息做了排序，所以對非葉節點有minNs等于左子節點的minNs，maxNs等于右子節點的maxNs。另外，請注意原哈希函數會把子節點的整個哈希作為輸入，也就是說命名空間也參與哈希計算，因此不能隨意寫，否則樹根哈希會跟區塊里的記錄不一致，就很容易看出數據無效。下圖是一個帶命名空間的默克爾樹的示意圖：

數據：一鯨魚從Uniswap中移除流動性賣出392萬枚ARB:6月10日消息，據Lookonchain監測，一鯨魚從Uniswap中移除流動性，取出556萬枚ARB（566萬美元），并以2262枚ETH（397萬美元）賣出了392萬枚ARB，平均售價為1.01 USDT，目前還持有303萬枚ARB。該鯨魚在3月27日收到的ARB，當時價格是1.15 USDT。[2023/6/10 21:28:25]

證明消息的完整性：

首先，需要證明返回的某條消息，確實是在消息樹中，這個就是普通默克爾包含證明所作的事情。因此，當存儲節點返回一條消息時，它同時返回此消息的默克爾包含證明。假定返回消息M0到Mn，那會同時返回對應的默克爾包含證明P0到Pn。我們需要說明，存儲節點可以不返回某條消息，但無法對消息構成的默克爾樹進行變動，因為那會導致樹根哈希變化，數據失效。

現在我們來看漏消息的情況，首先我們的消息是按命名空間歸并在一起的，所以如果某個命名空間，在它所有消息的中間漏了消息，那任何一個默克爾證明都可以看出，消息不連續，就沒必要進一步討論了。

我們看開頭或者結尾漏消息的情況，兩種情況類似，我們以開頭為例。比如N.2的第一條消息M.2漏了，那它對應的P.0也不會發出來，那么這時候，從查詢者的角度看，原來的P.1，現在是第一個證明，它反正就檢查第一個證明。下圖，我畫出了P.0和P.1的具體內容，我們比較它們的差別，就發現M.2左側的節點，命名空間都小于M.2的命名空間，而M.3左側有一個節點H.4，它的maxNs是A.2等于M.3的命名空間N.2，這個A.2的來源，就是存儲節點隱藏起來的M.2。這樣一來，執行節點就發現異常了。

那如果某個命名空間全部的消息都被隱藏呢。我們規定，當指定命名空間的消息不存在時，返回一個葉節點的默克爾證明，這個葉節點有minNs大于目標命名空間，但它左側所有節點的maxNs都小于目標命名空間。那么，當存儲節點隱藏了整個命名空間時，必然，根據具體返回的節點的位置，它或者左側會出現一個maxNs大于等于目標命名空間的節點，或者右側會出現一個minNs小于等于目標命名空間的情況。這樣執行節點也能發現問題。綜上所述，存儲節點不可能隱藏消息而不被發現。

結語：

本文復述了Celestia白皮書中，關于多應用場景下，對抗惡意存儲節點的部分內容。現在Celestia測試網已經上線，但目前更多是展示了對輕節點的支持，以及對消息分組的可行性。白皮書里面，第三章、第四章都有提到更多關于應用主權或者分片的內容，比較偏概念，針對真實公網環境來說，具體是怎么實現的，目前還看得不是很清楚。而擴容問題，顯然是整個區塊鏈領域近期最關注的目標。所以，我們之后也會特別關注Celestia在支持獨立應用方面的進展，究竟怎么跟L2或者說其它‘區塊鏈模塊’結合起來，做到實用的功能，并提高鏈上容量，我們將拭目以待。

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