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

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？

黃奇帆：數字金融公司要對大數據、云計算、人工智能、區塊鏈等都有深度研究:11月16日，在第三屆十字門金融周藍迪國際智庫專題報告會上，原重慶市市長、藍迪國際智庫專家委員會聯合主席、復旦大學特聘教授黃奇帆表示，產業互聯網和金融結合形成的數字金融，才是真正的普惠金融。產業互聯網和金融相結合形成的數字金融，要遵循以下五個原則。

第一，數字金融公司要對大數據、云計算、人工智能、區塊鏈等都有深度研究，并將研究成果應用在數字化平臺、數字金融系統中。

第二，數字金融公司要有金融的基因、性質，要按照金融的規則、金融防風險的宗旨來辦事，遵循金融業的基本制度。比如遵照巴塞爾協議，資本充足率要達標，要有風險準備金，風險撥備要到位，控制好信用杠桿風險。

第三，在產業互聯網基礎上發展起來的數字金融，既要解決融資難，也要解決融資貴難題。通過產業鏈上的“五全”信息，實現低成本高效獲客，就能降低貸款利息，這也是數字金融公司應該遵循的原則。第四，數字金融公司應利用好“五全”信息實現全社會的資源優化配置。

第五，數字金融平臺需要與專業銀行等金融機構強強聯合，實現資源優化配置，這是更合理的發展模式。（新華財經）[2020/11/16 20:58:54]

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。

CoinBene滿幣上線新版永續合約 合約交易深度全面提升:據官方公告，4月2日，CoinBene滿幣上線新版合約交易系統，在系統性能、流動性及產品體驗上均做了突破性優化。

?新版合約大幅提升了交易系統承載能力和吞吐量，有效降低交易延遲，并提高了同時接入用戶數，實現零卡頓的毫秒級交易體驗。

流動性方面，我們能夠看到CoinBene滿幣的BTC永續、 ETH永續等，盤口價差和深度均達到全網高水平，降低了用戶的交易滑點。

此外，本次升級還增加了更多簡單易用的便捷功能，USDT合約增加逐倉保證金模式，并增加開倉 設置止盈止損和閃電平倉功能，ETH、BCH、BSV永續合約增加100倍杠桿。

?CoinBene滿幣市場負責人表示，本次合約升級是最全面，耗費成本最高的一次，升級后的性能足以媲美一線合約交易平臺。CoinBene滿幣一直在完善產品機制、夯實技術實力方面進行持續投入，力求為用戶創造更好的交易體驗。[2020/4/2]

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

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。

政策 | 中央印發《交通強國建設綱要》 要求推動區塊鏈等新技術與交通行業深度融合:近日，中共中央、國務院印發了《交通強國建設綱要》，綱要提出，從2021年開始，到本世紀中葉，分兩個階段推進交通強國建設。綱要還提出將大力發展智慧交通，推動交通發展由依靠傳統要素驅動向更加注重創新驅動轉變。

據了解，《交通強國建設綱要》是交通領域近年來規格最高的頂層設計，而其中最大的亮點在于從中長期兩個維度規劃大力發展智慧交通，要求推動大數據、互聯網、人工智能、區塊鏈、超級計算等新技術與交通行業深度融合。構建綜合交通大數據中心體系，深化交通公共服務和電子政務發展；構建適應交通高質量發展的標準體系，加強重點領域標準有效供給。[2019/9/25]

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。

聲音 | 創世資本李榮彬：區塊鏈與物聯網深度結合才能落地:1月9日消息，創世資本管理合伙人李榮彬近日提出一個觀點：區塊鏈與物聯網深度結合才能落地，才能相互促進。區塊鏈不應該應用于實體經濟，因為共識下的區塊鏈是去中心化的，并沒有第三方來背書，但是如果將一個實體進行上鏈就必須有一個第三方進行評估，將其映射到鏈上，所以從這個意義上講，上鏈也只是將被信任的第三方進行了一個轉移。[2019/1/9]

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

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

動態 | 泛融與軟銀中城科技深度合作聯手打造混合共識公鏈:泛融科技與軟銀旗下中城智慧科技于11月12日簽署了關于聯手研發全球首條多鏈+VRF+DAG混合共識的書面合同。泛融科技創始人譚宜勇博士對于此次合作表示：傳統區塊鏈共識算法與分布式技術，效率低下，資源浪費嚴重，難以滿足現實生活中的龐大業務場景。而采用VRF+DAG的方式，可以大量節省計算機資源使用，并且可以保證去中心化的安全性能之上，盡可能提高交易效率（TPS），大幅度的提高拓展性。使區塊鏈的各層效率將得到顯著提升。 此次泛融與中城聯手打造的區塊鏈公鏈，構建節點最高達2100個，將廣泛應用于區塊鏈溯源及藝術品認證行業，未來，泛融會通過自身強大的技術優勢將區塊鏈技術推廣到更多領域。[2018/11/15]

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。

shares

shares?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

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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