作者：Bec
修订：Evelyn
什么是DataAvailability
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。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？
武汉融创智谷引进区块链等新兴技术促进产业深度融合:近日，武汉融创智谷相关负责人介绍，融创智谷正在规划建设中的融创智谷二期将充分运用洪山大学之城的区位优势，借助国家级开发区引擎带来的产业延伸作用，重点引进航天、氢能、人工智能、5G、区块链5个新兴前沿产业，促进制造业和服务业深度融合。整体投入运营后，预计入驻企业产值将超过200亿元，年纳税额可达20亿元。武汉融创智谷创建于2016年，是武汉市规划建设的第一批“创谷”。（新浪）[2021/7/20 1:04:52]
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。
ChainUP创始人钟庚发：当前市场状态企业需要深度修炼内功:3月12日，ChainUP联合Cointube、Cointelegraph中文主办区块链\"三方会谈\"线上直播，三位CEO嘉宾就\"疫情下的行业发展与合作\"进行精彩分享。ChainUP创始人兼CEO钟庚发在分享中表示，针对目前疫情现状，ChainUP加强线上品牌活动、加强与媒体间的深度合作、发起\"企业战疫扶持计划\"等等。另外他认为，当前正是适合企业修炼内功的时候，可以为下一次的市场爆发做好准备。
对于未来的规划钟庚发表示，合规化、集团化、全球化一直是ChainUP的目标。合规上，ChainUP持续推进与监管机构和持牌机构的合作，发力监管，加码合规。集团化方面，重点发展1个主品牌、5条业务线，打造全生态平台。全球化方面，目前ChainUP除了新加坡总部、日本分公司、香港分公司，已在10多个重点国家和地区拓展市场建立深度联系，未来会持续深入布局，实现全球化与本地化。[2020/3/12]
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。
动态 | 海南省卫健委启动医疗服务监管平台 将区块链与健康产业深度融合:据新浪财经报道，在今日举办的中国数字健康医疗大会上，海南省卫健委正式启动海南省互联网医疗服务监管平台。将运用区块链、大数据等技术，实现对医疗真实性、医疗行为、用药合理性、诊疗水平、医疗花费等进行自动化智能监管与预警。海南省卫健委等围绕海南省政府和中国电子信息产业集团关于“共建健康医疗大数据产业生态”的目标，以数据为核心打通健康医疗全产业链，推动大数据、区块链、人工智能等技术与健康产业深度融合发展，形成全球领先的数字健康产业生态。[2019/11/30]
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：
动态 | 国家邮政局局长：重点推动大数据、区块链等技术和邮政业深度融合:国家邮政局局长马军胜今日在2019年世界邮政日表示，针对我国邮政业的发展不足，在“智慧邮政”方面，要聚焦提质效育动能，进一步增强邮政业的发展后劲。加快推进“两进一出”工程，推动“快递进厂”、“快递进村”、“快递出海”；大力实施“科技兴邮”战略，加快落实“邮政业大数据发展”行动计划，重点推动云计算、大数据、物联网、区块链、人工智能和邮政业深度融合，提高全要素生产率和运行效率，加快“智慧邮政”建设等。（新京报）[2019/10/9]
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。
上海市经信委信息化推进处处长：上海将促进区块链等技术的深度应用:第一财经讯，近日，上海市经信委信息化推进处处长裘薇接受采访时表示，上海即将发布《上海市工业互联网产业创新工程实施方案》。《实施方案》提出，在促进产业生态培育方面，上海拟加强产业创新，促进边缘计算、大数据、人工智能、区块链等新技术在工业互联网的深度应用；推进工业传感器、5G物联网通信模块、智能硬件等技术研发与应用；培育形成一批基于工业互联网的工业智能软件和服务的整体解决方案。[2018/5/17]
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?2k的矩阵。
对这个矩阵的每一行和每一列，都构建一个默克尔树，得到2?k个行根和2?k个列根。
最后将这4?k个根，组成一个默克尔树，得到根dataRoot。
shares
shares?是Celestia项目定义的一个固定大小和格式的数据结构。主要内容是交易，以及执行这些交易的中间状态根。
由于没有具体规定多少交易，需要生成对应的中间状态根，项目方设定了一个?Period变量，作为最大限制周期，这个限制可以是最大多少交易之内必须生成中间状态根，也可以是多少字节，或者多少GAS。
还定义了两个函数来帮助验证：
parseShares?函数：输入shares，得到消息m，可以是中间状态根，也可能是交易。
parsePeriod?函数：输入消息，得到前状态根，执行后状态根，以及交易列表。
设定的格式举例
固定256字节
0-80：开始的交易
81-170：包含的交易
171-190：中间状态根
191-256：下一批开始的交易
白皮书中，介绍了两种欺诈证明，下面将分别对此进行介绍：
3.状态转换无效的欺诈证明
这是一个针对?stateRoot?的一个欺诈证明。全节点利用?dataRoot?中的?shares，来帮助轻节点验证收到的区块头中的?stateRoot?是否有效。
状态转换无效的欺诈证明的组成：
对应块的blockhash
相关的?shares
这些?shares?在?dataRoot?对应的默克尔树中的默克尔证明
这些?shares?包含的交易的?状态见证。
证明的验证：
验证blockhash，确定是对于哪个区块的欺诈证明。
验证证明中的每个?shares?的默克尔证明是否有效。
通过?shares?的两个解析函数，可以正确得到对应的交易列表，以及这批交易的执行前状态根和执行后状态根。并且如果执行前状态根为空，则第一个交易一定是块的第一笔交易；同时如果执行后状态根为空，则最后一笔交易一定也是块的最后一笔交易。
根据rootTransition函数，来验证得到的两个状态根。
4.错误生成扩展数据的欺诈证明
这是一个针对?shares?在网络传播时，当一个全节点从网络中收到?shares?恢复的数据，与自己的数据不匹配时，会向网络回应欺诈证明。
错误生成扩展数据的欺诈证明的组成：
错误的?shares?所在行或列的默克尔根。
这个行或列的默克尔根，在?dataRoot?对应的默克尔树中的默克尔证明。
这足够恢复这一行或列的?shares。
每个shares?在?dataRoot对应的默克尔树中的默克尔证明。
证明的验证：
验证blockhash，确定是对于哪个区块的欺诈证明。
验证证明中行或列的默克尔根的默克尔证明是否有效。注：VerifyMerkleProof(行或列的默克尔根，行或列的默克尔根的默克尔证明，dataRoot，长度，位置索引)其中前面2个数据是证明携带的数据，后面3个是本地数据。
验证证明中每个?shares?的默克尔证明是否有效。注：VerifyShareMerkleProof（shares，shares?的默克尔证明，dataRoot，长度，位置索引)其中?dataRoot是本地数据，另外数据都是从证明中获得。
通过收到的?shares，恢复这一行或列的所有数据，并验证其默克尔根是否等于自己之前收到的对应行或列的默克尔根。
数据可用性
通过2维RS纠删码，Celestia的轻节点通过随机抽样的方式，来获取区块数据，以及验证欺诈证明的相关数据。同时随机抽样的数据，并在网络中传播，当达到一定的数量时，也可以帮助网络恢复区块数据。下面介绍一下具体的工作流程：
轻节点从任意一个连接的全节点中获取一个新区块的块头，以及2k个行和2k个列的默克尔根。先用这些默克尔根与区块头中的?dataRoot?进行初步校验。如果错误则拒绝这个区块头。
在这个2k×2k的矩阵中，轻节点随机挑选一组不重复的坐标，将这些坐标发送给与自己相连的全节点们。
如果一个全节点拥有这些坐标所对应的所有数据，就会将这个坐标对应的?shares，以及?shares?的行或列的默克尔证明，回应给轻节点。
轻节点对于每一个收到的?shares，都会验证其默克尔证明是否有效。注：VerifyMerkleProof其中前面2个数据是证明携带的数据，后面3个是本地数据。
如果一个全节点没有回应某一个坐标的?shares，轻节点则会将自己收到的对应的shares、以及它的默克尔证明发送给这个全节点，这个全节点也会将收到的数据转发给相连的其他全节点。
如果步骤4中的验证都没有问题，并且步骤2中抽样的坐标都有收到回应，同时在一个设定的时间段内没有收到关于这个区块的欺诈证明，则轻节点认为这个区块是数据可用的。
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