解析 Celestia 与 DA

什么是 Data Availability

大家都知道，区块链技术的一个特点就是：存放在链上的数据是安全可靠的，不可篡改的。那数据可用性是指的什么呢？难道区块链的共识不能保证数据的安全了吗？显然不是，区块链数据的安全性，是大家都认可的，也是区块链一直持续发展的一个动力之一。那么 DA（数据可用性）层是什么，我们先来看看下面几种情况。

一个节点如果想验证某一笔交易或者某一个区块，这个节点需要下载所有的区块和交易数据。由于区块链的持续运行，区块和交易数据会持续增长，这个节点的成本也会越来越高。以至于越来越多的节点（特别是个人用户）只能选择运行轻节点。这些轻节点，没有下载所有的交易数据，它们不能对交易和区块进行验证，只能相信它们选择的共识节点（全节点）。因此，实际上这些轻节点是不知道获得的数据是否可用。

同时区块链网络为了提高效率，一直在尝试进行扩容。以太坊的 L2 就是以太坊的一种扩容方案，从而提高以太坊的吞吐量。但 L1 和 L2 在本质上还是两个网络，L1 是不会参与 L2 的共识，也不会验证和执行 L2 的交易，同理 L2 也不会参与 L1 的共识，亦不会验证和执行 L1 的交易。但是在此时，L1 与 L2 之间其实是有信任问题的，例如：Rollup 要求将所有交易数据都记录到以太坊的交易中，那么 Rollup 的用户为了验证自己的交易是否存入以太坊，他还需要运行一个以太坊的全节点吗？

从目前区块链的工作机制当中我们可以知道，当一个节点不参与共识的时候，特别是没有存储所有交易数据的时候，对于它自己获得的数据是否有效它是无法验证的，这些节点目前都只能相信自己连接的共识节点不会欺骗自己，或者多连接几个共识节点，做一个小小的容错。

因此DA层解决的问题是，在不参与共识、以及不用存储所有交易数据的情况下，依然能够对交易进行验证，从而证明这个交易是否可用。

Celestia

在上面先介绍了什么是 DA，接下来，我们再来看看 Celestia 项目是打算如何来解决这个问题的。

Celestia 项目围绕二维 Reed-Solomon 纠删码，设计了一套随机抽样来验证数据、以及恢复数据的方案从而确保数据可用。

当一个全节点发现轻节点收到有问题的数据时，会构建一个欺诈证明并发送给这个轻节点，轻节点收到欺诈证明之后，从网络中通过随机抽样的方式，获得需要的数据，来验证这个欺诈证明是否有效，从而能够明确的知道自己之前获得的数据是否可用。轻节点不需要信任给自己发送数据的节点，也不需要信任给自己发送欺诈证明的节点，这是因为轻节点是通过随机抽样的方式，来获取进行此次验证所需要的数据，因此安全性能是由整个网络来提供的。这样也使得DA 层的安全等级，能够接近共识层的安全等级。

接下来，我们来了解一下 Celestia 具体是如何工作的。由于 Celestia 项目还处于开发测试阶段，因此这里采用的都是现阶段的白皮书的介绍方案，可能会与实际的解决方案有出入。

准备

欺诈证明的验证，必须是高效的，并且不需要全部的交易数据，也不需要执行具体的交易，因此 Celestia 对于自己区块的数据，进行了一些扩展。

1. stateRoot

状态的稀疏默克尔树的根，这种默克尔树的叶节点，是一个 key-value 对。

定义了一种变量，状态见证(w)：是一些 key-value 对，以及他们在默克尔树中的证明，组成的集合：

定义了一个函数，rootTransition ：可以通过状态根、交易、以及这些交易的状态见证，转换得到交易执行后的状态的根。也就是每个交易执行后的状态的默克尔根 stateRoot`可以通过rootTransition(stateRoot, t, w) 得到

2. dataRoot

将交易，以及这些交易执行的中间状态根，组合成一个固定大小与固定格式的shares 。这些所有的交易的shares ，按照二维RS纠删码，进行扩展，最后得到一个默克尔树的根，即dataRoot。

• 具体步骤

• 将初始的交易数据，按照 shares 的大小与格式进行封装。

• 将 shares 放入一个 k×k 的矩阵，如果数量不够，则填充补齐。

• 然后应用 RS 纠删码，按照行和列进行 3 次补齐，最终得到一个 2k