淺析數據可用性問題

區塊鏈網絡中的節點如何確保新提議的區塊的所有數據均可用？爲什麽這一點很重要？

在這篇文章中，我們深入研究了數據可用性問題的細節以及它如何影響以太坊的擴展。

什麽是數據可用性問題？

數據可用性（DA）問題：區塊鏈網絡中的節點如何確保新提議的區塊的所有數據實際上都是可用的？如果數據不可用，則該區塊可能包含被區塊生産者隱藏的惡意交易。即使該區塊包含的是非惡意交易，將它們隱藏也可能會損害繫統的安全性。

舉個例子，假設 Alice 是 ZK-Rollup (ZKR) 的運營者。她在以太坊上提交了一份經過驗證的 ZK 證明。如果她沒有提交以太坊上的所有交易數據，即使她的證明證明rollup中採取的所有狀態轉換都是有效的，但rollup的用戶仍然可能對其當前帳戶餘額一無所知。由於其零知識性質，所提交的證明無法闡明當前狀態。

Optimistic Rollup (OPR) 設置中存在類似的示例，其中 Alice 在以太坊上提交聲明，但 OPR 的參與者都無法對其提出質疑，因爲交易數據不可用，因此他們無法重新計算或質疑該聲明。

爲了應對上述情況，OPR 和 ZKR 的設計都要求運營者將以太坊上的所有交易詳細信息作爲“調用數據”提交。雖然這使他們在短期內避免了 DA 問題，但隨著rollup內事務數量的增加，需要提交的數據量也會增加，從而限製了這些rollup可以提供的擴展量。

更糟糕的是，數據不可用併不是唯一可歸因的錯誤。這意味著參與者無法曏其他衕行證明特定數據塊丟失。這是因爲Bob可以廣播Alice提交的區塊有缺失數據，但是當Charlie查詢Alice時，她可能會曏他提供數據。

DA對當今的區塊鏈有何影響？

要回答這個問題，我們需要首先回顧一下類似以太坊的區塊鏈的一般區塊結構以及任何區塊鏈網絡上存在的客戶端類型。

一個區塊可以分爲兩個主要部分：

• 塊頭：一個小塊頭包含與塊中包含的交易相關的摘要和元數據。
• 塊體：包含所有交易數據，它構成了塊大小的大部分。

在傳統的區塊鏈協議中，所有節點都被視爲衕步整個塊併驗證所有狀態轉換的完整節點。他們需要花費大量資源來檢查交易的有效性併存儲區塊。從有利的一麵來説，這些節點不能接受任何無效的交易。

可能還有另一類節點沒有（或不想花費）資源來驗證每筆交易。相反，他們主要想了解區塊鏈的當前狀態以及與他們相關的某些交易是否包含在鏈中。理想情況下，還應該保護這些輕客戶端免於跟蹤包含無效交易的鏈。這實際上可以使用所謂的欺詐證明來實現。這些是簡潔的消息，錶明特定的塊體包含無效的交易。任何全節點都可以産生這樣的防欺詐，因此輕客戶端不必相信特定的全節點是誠實的。他們隻需要確保自己與某一個gossip網絡保持良好的連接狀態，以確保受到區塊頭的防欺詐證明（若有）。

然而，該繫統存在一個問題：如果區塊生産者沒有透露區塊背後的全部數據怎麽辦？在這種情況下，全節點顯然會拒絶該區塊，因爲在他們看來，如果它不帶有塊體，那麽它甚至就不是一個塊。然而，輕客戶端可以看到標頭鏈，但無法註意到數據丟失。衕時，完整節點無法生成欺詐證明，因爲它們會丟失創建欺詐證明所需的數據。

要解決這個問題，我們就需要一種輕客戶端驗證數據可用性的機製。這將確保隱藏數據的區塊生産者無法通過説服輕客戶端來逃脫。它還將迫使區塊生産者披露部分數據，使整個網絡能夠以協作方式訪問整個區塊。

讓我們通過一個示例來更深入地研究此問題。假設區塊生産者 Alice 用交易 tx1、tx2、…、txn 構建了一個區塊 B。假設 tx1 是一筆惡意交易。如果 tx1 被廣播，任何全節點都可以驗證它是惡意的，併將其髮送到輕客戶端作爲防欺詐，輕客戶端會立即知道該塊是不可接受的。但是，如果 Alice 想要隱藏 tx1，她會顯示塊頭和除 tx1 之外的所有交易數據。如此，全節點就無法驗證tx1的正確性。

人們可能會認爲這樣一種簡單方法可解決此問題：如果所有輕客戶端隻是隨機對交易進行採樣，併且如果他們髮現樣本可用，那麽他們就可以確信該塊是可用的。讓輕節點均勻隨機地查詢任何一筆交易。輕客戶端查詢tx1的概率爲1/n。因此，Alice 能夠以壓倒性的概率欺騙輕客戶端接受惡意交易。換句話説，大多數輕客戶端都會被愚弄。由於不可歸屬的性質，全節點無法以任何方式證明 tx1 不可用。不幸的是，增加樣本數量併不能讓情況變得更好。

那麽，如何應對該問題呢？

解決這個問題的方法就是在塊中引入冗餘。關於編碼理論，特別是糾刪碼，存在大量的文獻，它們可以幫助我們解決這個問題。

簡單來説，糾刪碼允許我們將任意的 n 塊數據擴展爲 2n 塊數據，使得 2n 中的任意 n 塊都足以重建原始數據（參數是可調的，但這裡我們考慮爲了簡單起見使用這個）。

如果我們強製區塊生産者對交易 tx1、tx2、…、txn 進行糾刪碼，那麽，要隱藏單個交易，則需要隱藏 n+1 個數據塊，因爲任何 n 都足以構造整個交易集。在這種情況下，恆定數量的查詢使輕客戶端高度確信底層數據確實可用。

哇哦，原來就是這個解決方案？

這是行不通的。雖然這個簡單的技巧使隱藏企圖變得更加睏難，但區塊生産者仍然有可能故意以錯誤的方式執行糾刪除碼。然而，全節點可以驗證這種糾刪碼是否正確完成，如果沒有，它可以曏輕客戶端證明這一點。這是另一種類型的防欺詐，就像上麵的惡意交易的情況一樣。有趣的是，輕客戶端需要有一個誠實的全節點鄰節點，才能確定在該塊爲惡意時將收到防欺詐的信息。這保證了輕客戶端能夠以非常高的概率訪問到沒有惡意交易的鏈。

但是有一個問題！如果簡單地完成，一些欺詐證明的大小可能與塊本身的大小相衕。我們對輕客戶端的資源假設禁止我們使用這樣的設計。通過使用多維糾刪碼技術，在這方麵已經有了改進，該技術以承諾大小爲代價減少了欺詐證明的大小。爲了內容的簡短起見，此處我們不討論這些，但您可查看本文對其進行的詳細分析。

基於防欺詐的解決方案的問題在於，輕客戶端永遠無法完全確定尚未收到防欺詐的任何塊。此外，他們始終相信其全節點節點是誠實的。誠實的節點還需要受到激勵來持續審計區塊。

此處，我們著重看這樣的繫統：它能保證如果塊編碼無效，全節點可以檢測到它併曏輕客戶端提供證據，以説服他們存在不當行爲。但在下一節內容中，我們將研究塊編碼，它保證隻有有效的編碼才能提交到鏈中。這就無需證明編碼錯誤的欺詐證明。這些基於有效性證明的解決方案使應用程序能夠使用該繫統，而無需等待來自全節點的此類欺詐證明。

那麽這些解決方案如何髮揮作用呢？

最近，多項式承諾重新點燃了區塊鏈領域的興趣。這些多項式承諾，特別是對多項式的恆定大小的 KZG/Kate 承諾，可以用來設計一個簡潔的 DA 方案，而不需要欺詐證明。簡而言之，KZG 承諾允許我們使用單個橢圓曲線群元素來承諾多項式。此外，該方案支持我們證明在某個點 i，多項式 φ 使用恆定大小的見證計算爲 φ(i)。承諾方案具有計算約束力併且是衕態的，使我們能夠巧妙地避免欺詐證明。

我們迫使區塊生産者穫取原始交易數據併將其排列在大小爲 n x m 的二維矩陣中。它使用多項式插值，將大小爲 n 的每列擴展爲大小爲 2n 的列。該擴展矩陣的每一行都會生成一個多項式承諾，併將這些承諾作爲塊頭的一部分髮送。下麵給出了該塊的示意圖。

輕客戶端查詢此擴展矩陣的任何單元以穫得見證，這使其能夠立即根據塊頭對其進行驗證。恆定大小的成員資格證明使得採樣極其高效。承諾的衕態性質確保隻有在正確構建塊的情況下才能驗證證明，併且多項式插值確保恆定數量的成功樣本意味著數據有非常高可用概率。

區塊的示意圖

該方案的更詳細信息以及進一步的優化和成本估算不在本文做詳細介紹。但是，我們想指出的是，雖然我們在這裡討論二維方案，但一維方案也可以提供類似的保證，一維方案具有較小的塊頭大小，但代價是提供效率較低額併行性和輕客戶端採樣。我們將在後續文章中對這一點進行更深入的探討。

還有哪些其他替代方案？下一步如何計畫？

高維糾刪碼和 KZG 承諾併不是解決 DA 問題的唯一方法。我們在這裡跳過了其他方法，例如編碼默剋爾樹、編碼交錯樹、FRI 和基於 STARK 的方法，但每種方法都有其利弊。

在 Avail，我們一直緻力於使用 KZG 承諾開髮數據可用性解決方案。在後續的文章中，我們將介紹實現細節、在今天如何使用它以及我們的目標是如何轉變 DA 問題空間。有關 Avail 的更多信息，請在 Twitter 上關註我們併加入我們的 Discord 社群。

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