拆解数据可用性层 模块化未来中被忽视的乐高积木

在模块化区块链中，执行层和共识层已经是红海市场，数据可用性层的价值尚未发掘。

原文题目：《IOSG Weekly Brief 拆解数据可用性层：模块化未来中被忽视的乐高积木 #136》

作者：Jiawei，IOSG Ventures

TL；Dr

对于轻量级客户端的数据可用性，使用删除代码解决此问题几乎没有异议。区别是如何确保删除代码编码正确。Polygon Avail和Danksharding采用了KZG承诺，Celestia采用了欺诈证明

对于Rollup的数据可用性，如果将DAC解释为集成链，Polygon Avail和Celestia所做的是进一步集中数据可用性层。——相当于提供了“DA-Specific”的公共链。这有助于提高信任水平。

未来3 ~ 5年，区块链的体系结构需要从单体化向模块化演进，每一层都代表着较低的耦合状态。未来，许多模块化组件供应商(如roll up-as-a-service(RAAS)和data avail ability-as-a-service(daaas))可以组合区块链体系结构，模块化区块链将支撑下一个周期

在模块化区块链中，执行层已经是“四分之一天下”，后者的情况很少。共识层在鹿中，中原、Aptos、Sui等公司崭露头角。公共链竞争格局尚未确定，但那家叙事已经是新瓶装的老酒，很难找到合理的投资机会。数据可用性层的价值仍有待发掘。

模块化区块链在谈及数据可用性之前，Modular Blockchain先简要回顾一下模块化区块链。

图片来源：根据IOSG Ventures、Peter Watts

对模块化区块链的分层没有严格的定义，部分分层方式从以太网研讨会出发，另一部分偏向于一般化的视角，主要取决于在什么背景下讨论。

执行层次：在执行层次会发生两件事。对于单个事务，执行事务并更改状态。对于同一批中的事务处理，计算批的状态根。目前，以太网执行层的部分任务已分配给我们熟悉的StarkNet、zkSync、Arbitrum和Optimism等Rollup。

结算层：了解基本链中的Rollup协议验证状态根的有效性(zkRollup)或欺诈证明(Optimistic Rollup)的过程。

共识层：无论采用PoW、PoS还是其他共识算法，共识层都是为了就分布式系统中的某些事情达成一致。也就是说，目的是就状态转换的有效性达成共识。在模块化背景下，结算层和协议层的意义有些相似，所以一些研究者将结算层和协议层统一起来。

历史状态层：由Polynya提出(仅限以太网端)。因为引入Proto-Danksharding后，etherboard在一段时间内保持了即时的数据可用性，然后进行修剪工作，并将工作移交给其他人。例如，Portal Network或存储此数据的其他第三方可以分类到此层次结构中。

数据可用性层：数据可用性有什么问题相应的解决方案分别是什么这是本文要集中讨论的问题，所以这里先不概括它。

图片来源：IOSG Ventures

回到18、19年，数据可用性更多发生在轻量级客户端节点的背景下。此后，从Rollup的角度来看，数据可用性具有另一层含义。本文在“节点”和“Rollup”两个不同的上下文中介绍了数据可用性。

DA in Nodes

图片来源：https://medium . com/meta mask/meta mask-labs-presents-mustekala-the-light-client-that

首先，我们来看一下整个节点和轻量级客户端的概念。

因为整个节点直接下载和验证每个块的每个交易，所以为了确保状态正常运行，不需要诚实的假设，安全性有很好的保障。但是，要运行整个节点，需要对存储、计算能力和带宽的资源要求。除矿工外，一般用户或应用程序没有运行整个节点的动力。此外，如果节点只需要验证链中的特定信息，则不需要运行整个节点。

这是轻度客户端正在做的事情。IOSG的文章《多链生态：我们现在的阶段和未来的模式》中简要介绍了轻客户端。轻量级客户端通常不直接与链交互，而是使用相邻的整个节点作为中介，从整个节点请求所需信息(例如下载块头或帐户馀额检查)。

作为节点的光客户端只下载和验证块头，因此可以快速同步整个链。在跨链桥模型中，轻量级客户端是智能合同——大象链轻量级客户端，只需确保源链上的令牌已锁定即可。不需要确认源链中的所有事务。

有什么问题吗

存在一个隐式问题，即轻量级客户端仅从整个节点下载块头，而不是直接下载和验证每个事务。然后，整个恶意节点(块生产者)可以构建包含错误事务的块，并将其发送到轻量级客户端进行欺骗。

可以使用“欺诈证明”来解决这个问题。也就是说，只需要1个诚实的全节点监控块的有效性。如果发现无效块，请制作欺诈证明，并发送给轻量级客户端，通知他们。或收到区块后，轻客户端积极询问整个网络是否有欺诈证明，如果一段时间后没有收到，则可以默认该区块

但是，在上面的说明中，假设区块生产者总是发布所有区块数据，这也是生成欺诈证明的基本前提。但是恶意区块生产者在发布区块时可能会隐藏一些数据。此时，整个节点可以下载此块以确认其无效。但是，由于轻量级客户端的特性，不能这样做。另外，由于数据不足，整个节点无法生成欺诈证明来警告轻量级客户端。

另一种情况是，由于网络原因，部分数据可能会在以后上传，也无法判断当前数据缺失是客观条件，还是区块生产者有意——。欺诈证明的奖惩机制也不能生效。

这就是节点上的数据可用性问题。

图片来源：https://github . com/ethereum/research/wiki/a-note-on-data-avail ability-and-erass-。

上图显示了两种情况。第一，恶意区块生产者发布数据缺失区块时，正直的整个节点发出了警告，但该生产者进一步发布了其余数据。(David Assell，Northern Exposure，诚实名言)第二，诚实的街区生产者发布了整个街区，但恶意的整个节点发出了虚假警告。在这两种情况下，网络上其他人在T3后看到的区块数据都是完整的，但都有在其中作恶的人。

因此，使用欺诈证明来保证轻量级客户端的数据可用性似乎有漏洞。

解决方案2018年9月，Mustafa AI-Bassam(现任Celestia CEO)和Vitalik在合著的论文中提出使用多维删除代码检查数据可用性。——轻量级客户端随机下载并验证部分数据，这样所有数据块都可用，必要时可以重建所有数据。

使用删除代码解决轻客户端的数据可用性问题几乎没有异议。Polygon Avail、Celestia(以及以太网房间的Danksharding)使用Reed-Solomon删除代码。

区别是如何确保删除代码编码正确。Polygon Avail和Danksharding采用KZG承诺，Celestia使用欺诈证明。KZG承诺不能对抗两者，欺诈证明依赖于一定的诚实假设和同步假设。

除了KZG承诺外，采用STARK和FRI的方案也可以证明删除代码的正确性。

(注：修改删除代码和承诺KZG的概念在IOSG的文章《即将合并：以太最新技术路线详细说明》中有提及，篇幅有限，本文不做说明。）

DA in RollupRollup的数据可用性是：在zkRollup中，任何人都必须自行重建Layer2的状态，以确保审查。Optimistic Rollup要求发布Layer2上的所有数据。这是建立欺诈证明的前提。那么问题是什么

图片来源：https://forum . celestia . org/t/ethereum-roll up-call-data-pricing-analysis/141

让我们看一下Layer2的成本结构。除了固定成本外，与每批交易数相关的变量主要在于Layer2的Gas成本和链的数据可用性支出。电子的影响微乎其微。后者需要每字节固定支付16 gas，占Rollup总成本的80%至95%。

(链)数据可用性非常昂贵。我该怎么办

首先，减少在链中存储数据的成本。这是协议层的工作。在IOSG的文章《临近合并：以太最新技术路线详细说明》中，Etherboard考虑引入Proto-Danksharding和Danksharding，为Rollup提供“大块”，即更大的数据可用性空间但是从Rollup的角度来看，被动地等待太芳使自己适应是不现实的。

二是将数据放在链下。下图显示了Celestia和Polygon Avail显示当前链下的数据可用性方案，包括。在Rollup中，您可以选择作为用户的方案有StarkEx、zkPorter和Arbitrum Nova。

图片来源：IOSG Ventures

(注：Validium最初是特指zkRollup与链下数据可用性相结合的扩展方案，为了方便起见，本文将Validium指链下的数据可用性方案，并参与了比较。）

下面我们具体来看一下这些方案。

DA Provided by Rollup在最简单的Validium方案中，集中数据操作员确保数据可用性，用户必须信任操作员不作恶。这些优点是成本低，但实际上几乎没有安全保障。

因此，StarkEx于2020年提出了由数据可用性委员会(DAC)维护的Validium方案。DAC成员是法律管辖区内众所周知的个人或组织，信任家庭是他们不勾结或作恶。

Arbitrum今年提出了AnyTrust，数据委员会也保证了数据可用性，并在AnyTrust的基础上构建了Arbitrum Nova。

ZkPorter建议Guardians(zkSync Token持有者)保持数据可用性

所有三个选项都提供了名为Volition的选项。也就是说，用户可以根据需要自由选择链上或链下的数据可用性，根据特定使用场景在安全性和成本之间进行选择。

图片来源：https://blog . polygon . technology/from-roll up-to-validium-with-polygon-avail/

General DA Scenarios提出了引入更权威的委员会以提高可信度的建议，因为一般运营商的可信度不高。

小型委员会的安全度是否足够高以太坊社区两年前就提出了Validium的恐吓攻击问题。窃取足够多的委员会成员的私钥，使链下的数据可用性不可用，可能会威胁用户——。他们必须支付足够的赎金才能从Layer2提取。根据Ronin Bridge和Harmony Horizon Bridge被盗的先例，我们不能忽视这种可能性。

因为链下的数据可用性委员会不够安全，如果引入区块链作为信任主体，保证链下的数据可用性，会怎么样

如果将上述DAC解释为联盟链，Polygon Avail和Celestia所做的是进一步集中数据可用性层。——相当于提供“DA-Specific”的公共链，拥有一系列验证节点、区块生产者和共识机制，提高了信任水平。

除了提高安全性外，如果数据可用性层本身是一条链，则它实际上可以用作通用解决方案，而不是为一条汇总或链提供数据可用性。

图片来源：https://blog . celestia . org/celestiums/

以将Celestia应用于Etherfance Rollup的Quantum Gravity Bridge为例。以太网广场主链的第2层Contract照常验证验证或欺诈证明，但数据可用性由Celestia提供除外。Celestia链没有智能合同，不计算数据，只允许使用数据。

L2 Operator将交易数据发布到Celestia主链上，Celestia的认证者签署DA Attestation的Merkle Root，然后发送到以太网主链上的DA Bridge Contract进行验证和存储。

这样，为了实际证明所有数据可用性，DA Bridge Contract而不是DA Attestation的Merkle Root，只需验证并保存此Merkle Root，即可大大减少开销。

(注：其他数据可用性方案包括Adamantium和EigenLayr。Adamantium方案的用户可以选择承载自己链下的数据，并在每次状态转换时签名，以确保自己链下的数据可用。否则，资金会自动转移到主链上，从而保证安全性。或者，用户可以自由选择数据提供者。EigenLayr是提出Coded Merkle Tree和数据可用性预测器ACeD的学术方案。这里暂不开始讨论。）

摘要

图片来源：根据IOSG Ventures、Celestia Blog进行结构调整

在逐一讨论这些方案后，我们从安全性/集中化程度、Gas成本等方面进行了横向比较。需要注意的是，这个坐标只代表笔者个人的理解，不是定量比较，而是模糊的大致区分。

左下角的Pure Validium安全性/集中化和Gas成本最低。

中间部分是StarkEx和Arbitrum Nova的DAC方案、zkPorter的Guardians认证者集方案、通用Celestia和Polygon Avail方案。笔者认为，使用zkPorter作为认证者集，与DAC相比，安全性/中央化程度略高。DA-Specific区块链的方案略高于验证器集。与此同时，Gas成本也相应增加。当然，这只是一个非常粗略的比较。

右上角的方框内是链中数据可用性最高的安全性/集中化和Gas成本。从盒子内部来看，这三种方案的数据可用性都是以太网主链提供的，因此安全性/中央化程度相同。纯Rollup方案显然比单一以太坊的Gas成本低，引入Proto-Danksharding和Danksharding后，数据可用性成本将进一步降低。

注：请注意，本文介绍的“数据可用性”的脉络大部分在以太坊之下，Celestia和Polygon Avail是通用的方案，并不限于以太坊本身。

最后，我们总结了表上详述的方案。

图片来源：IOSG Ventures

Closing Thoughts讨论了这些数据可用性问题后，我们发现所有方案本质上都是在三种困难的相互制约下折衷的，方案的差异是平衡的“精细”差异。

从用户角度来看，协议提供同时提供链和链下数据可用性的选项是合理的。因为用户对安全性和成本的敏感度取决于应用场景，或者不同的用户组不同。

如前所述，我们在数据可用性层详细讨论了对以太网和Rollup的支持。在链间通信中，Polkadot的中继链为其他并行链提供了数据可用性的基本安全保证。Cosmos IBC依赖于轻型客户端模型，因此让轻型客户端检查源链和目标链上的数据可用性至关重要。

模块化的优点是可插拔性和灵活性，可根据需要根据协议进行调整。例如，消除以太网房间的数据可用性负担，同时确保安全和信任级别。或者在多链生态系统中，提高轻量级客户端通信模型的安全级别，降低信任假设。不仅在以太坊，在多链生态，甚至未来更多的应用场景中，都可以发挥数据可用性。

我认为，未来3 ~ 5年，区块链的体系结构将从单体向模块化进化，各层将呈现低耦合状态。未来，许多模块化组件供应商(如roll up-as-a-service(RAAS)和data avail ability-as-a-service(daaas))可以组合区块链体系结构，模块化区块链将支撑下一个周期

其中，执行层的估值巨头(Rollup)已经是“四分之一天下”，后者的情况很少。共识层(即各Layer1)追逐鹿的中原、Aptos和Sui等公共链开始崭露头角后，公共链竞争格局尚未确定，但其叙事已经是新瓶装老酒，很难找到合理的投资机会。

数据可用性层的价值仍有待发掘。

References

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