¿Cuáles son los beneficios de la tecnología de Muestreo de Disponibilidad de Datos? ¿Por qué la necesitamos?

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Conocimientos previos:

• Tener un entendimiento básico de la operación de consenso de Ethereum
• Conoce la diferencia entre Full Node y Light Node
• Conozca los problemas de Rollup y publicación de datos (disponibilidad de datos)

Lo siguiente será la Publicación de Datos para llamar Disponibilidad de Datos, pero algunas palabras relacionadas con la Disponibilidad de Datos, como DAS y DAC, conservarán las palabras originales para evitar que los lectores no puedan conectarse con el texto original en inglés. Para obtener una introducción al nombre Publicación de Datos, consulte:

Disponibilidad de datos renombrada: Publicación de datos reemplaza Disponibilidad de datos

Recientemente, algunas personas han propuesto usar "Publicación de datos" para reemplazar "Disponibilidad de datos" para evitar la confusión causada por el término DA. Este artículo introducirá la confusión causada por la palabra DA y por qué en lugar de Data debería usarse Publicación de datos...

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Esta serie de artículos presentará el mecanismo operativo de DAS a través de Danksharding, así como las similitudes y diferencias entre Celestia, EigenDA y AvailDA. El primer artículo presentará por qué necesitamos DAS y los beneficios que DAS aporta.

Recap: ¿Por qué se discute el tema de la divulgación de datos?

Actualmente, la situación más común en la que se discute la publicación de datos en el ecosistema de Ethereum es al hablar del diseño de L2: L2 en sí también es una cadena, por lo que también tendrá sus propios bloques y datos de transacciones, entonces ¿dónde deberían colocarse estos datos? Porque los usuarios necesitan esta información para garantizar la seguridad.

• Si es un Rollup, cargará sus datos de transacciones en L1, como Ethereum, utilizando Ethereum como un lugar para almacenar los datos.
• Si no es Rollup, los datos se colocarán en otro lugar, como por un grupo de miembros de confianza. A tal custodio se le llama Comité de Disponibilidad de Datos (DAC).

Para obtener más información sobre la relación entre Rollup y la publicación de datos, consulte:

Rollup y disponibilidad de datos

Este artículo presentará la relación entre la disponibilidad de datos y Rollup, y cómo Rollup puede hacer algunos sacrificios en la disponibilidad de datos a cambio de costos de transacción más bajos.

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Pero de hecho, no es solo L2, la cadena Ethereum en sí también necesitará enfrentar el problema de la liberación de datos, porque los nodos ligeros no descargarán datos de bloque completos como los nodos completos, por lo que los nodos ligeros necesitan creer que "cuando aparece un nuevo bloque, de hecho se liberaron los datos completos del bloque". Cuando se engaña a un nodo ligero para que crea en un bloque "incompleto", el impacto es el mismo que cuando se le engaña para que crea en un bloque "ilegal": se conecta a un enlace que no es reconocido por otros como parte de la cadena bifurcada.

Los nodos completos no creerán en bloques incompletos, pero los nodos ligeros sí lo harán

Entonces, ¿a quién confía el nodo ligero actual de Ethereum para asegurarse de que los datos de un nuevo bloque se publiquen completamente? La respuesta es 'Validadores'. Cuando un nodo ligero recibe un nuevo bloque, no descargará los datos completos del bloque, pero verá cuántos validadores votaron por el bloque. Cuando suficientes validadores voten por este bloque, creerá que la información completa de este bloque realmente se ha publicado. Esto es una suposición perteneciente a la Mayoría Honesta, que es la creencia de que la mayoría de los validadores son buenas personas.

Cuando suficientes validadores firmen el bloque, el nodo ligero creerá que el bloque se ha liberado por completo.

Nota: En la actualidad, los nodos ligeros de Ethereum no recopilan realmente los votos de cientos de miles de validadores para el cálculo, porque el número es demasiado grande y el cálculo consume demasiados recursos. En su lugar, se asigna otro grupo de Comité de Sincronización con un número mucho menor, que consiste en la firma del validador en su interior que sirve como garantía para el nodo ligero. Esto se considera un enfoque transicional, a la espera de un diseño más completo y maduro para reemplazarlo en el futuro.

Muestreo de Disponibilidad de Datos

"Creer que la mayoría de los validadores son buenas personas" suena como una opción razonable y buena, pero ¿y si podemos hacerlo mejor? ¿Y si un día realmente sucede que la mayoría de los validadores quieren unirse para engañarnos, diciendo que tienen datos de bloque completos pero en realidad no lo hacen, pero mientras haya algunas buenas personas en la red p2p, podemos evitar ser engañados?

Tal capacidad no aparecerá de la nada. Para tener esta capacidad, necesitas construir una red p2p lo suficientemente estable, tener suficientes usuarios e incluso agregar funciones de privacidad a la capa de red. Esta capacidad es el foco de esta serie de artículos - Muestreo de Disponibilidad de Datos (DAS).

En un blockchain con DAS, los nodos ligeros no solo recibirán pasivamente nuevos datos de bloque, sino que participarán conjuntamente en la operación de DAS: cada nodo ligero debe ir a la red p2p para cada bloque. En el camino, busca varias piezas de datos en el bloque y guarda los datos, y los comparte con otros nodos cuando solicitan datos. Al igual que el protocolo descentralizado de intercambio de archivos BitTorrent, los nodos en la red guardan y comparten los datos que les interesan juntos en lugar de depender de un servidor centralizado.

Los nodos ligeros trabajan juntos para recuperar y compartir fragmentos de bloque de datos a través de la red p2p

Nota: En un escenario ideal, los usuarios de la cadena de bloques ejecutarían todos nodos ligeros, participarían en la operación de DAS y garantizarían la seguridad juntos, en lugar de confiar completamente en otros nodos como ahora.

Cada nodo ligero no puede creer que los datos del bloque se hayan liberado por completo hasta que obtenga con éxito cada pieza de datos que solicita. Sin embargo, una vez que se obtiene cada pieza de datos solicitada, puede creer con seguridad que los datos del bloque se han liberado. La información ha sido liberada por completo. ¿Pero por qué los nodos ligeros pueden creer con seguridad que los datos completos del bloque se han liberado incluso si solo tienen datos fragmentados? Esto se debe a que otros nodos ligeros en la red también almacenarán datos fragmentados por separado, por lo que cuando sea necesario, todos podrán trabajar juntos para unir datos completos a partir de los datos fragmentados de los demás, y otra capacidad mágica de DAS es: Los datos guardados por los nodos ligeros no necesitan cubrir los datos completos del bloque. Los nodos ligeros pueden restaurar el 100% de los datos siempre que obtengan el 50% de los datos.

Siempre que los nodos ligeros tengan más del 50% de los datos fragmentados, pueden restaurar los datos completos del bloque.

Nota: No necesariamente es del 50%, puede ser más alto, dependiendo de la configuración del DAS, pero definitivamente será menos del 100%.

Por lo tanto, en DAS, incluso si la mayoría de los validadores votan por un cierto bloque, los nodos ligeros no creerán fácilmente en el bloque. El nodo ligero realizará un muestreo (Sampling), es decir, solicitará los datos fragmentados del bloque. Cuando se obtengan todos los fragmentos solicitados, se creerá que los datos del bloque se han publicado completamente.

Mayoría Honesta -> Minoría Honesta

En comparación con Ethereum, que actualmente no tiene DAS, los nodos ligeros deben confiar en que “la mayoría de los validadores son buenas personas”, que es la suposición de la mayoría honesta; después de que Ethereum se una a DAS, los nodos ligeros confían en que “un pequeño número de nodos que son (se muestreará y “Una buena persona que mantiene la información” es la suposición de la minoría honesta.

Nota: "pocos" se refiere al hecho de que el número de nodos ligeros que necesitan ser muestreados y almacenados para restaurar datos completos es relativamente pequeño en comparación con todos (muchos) los nodos ligeros en la red.

seguridad probabilística

Como se mencionó anteriormente, cuando un nodo ligero recibe todos los datos de fragmentos que solicitó, creerá que los datos del bloque se han liberado por completo, y los nodos ligeros en la red pueden trabajar juntos para pedir prestado cuando sea necesario. Los datos completos pueden ser restaurados a partir de los datos fragmentados, pero... ¿qué pasa si la persona que produjo el bloque es maliciosa y no liberó suficientes datos del bloque en primer lugar? ¿Qué sucede si se dirige a un nodo ligero específico y ya no proporciona ningún dato después de proporcionar los datos de fragmento requeridos por ese nodo ligero?

Alice obtuvo con éxito la información solicitada, por lo que cree que la información del bloque ha sido completamente publicada, y eventualmente recogerá el bloque que fue descartado por otros nodos.

Entonces este pobre nodo ligero tendrá que ser engañado, y esta es también la limitación y la compensación de DAS: la garantía de "liberación completa de datos" proporcionada por DAS es una garantía de probabilidad, no una garantía 100% y categórica, pero esto sigue siendo mejor que tener que confiar completamente en la mayoría de los validadores. Si cree que la garantía de probabilidad no es lo suficientemente segura y desea estar 100% seguro de si los datos del bloque se han liberado por completo, lo siento, solo puede ejecutar un nodo completo usted mismo para descargar los datos completos del bloque.

Nota: El programa que ejecuta el nodo ligero no tiene forma de saber que ha sido engañado. Para el programa, siempre y cuando reciba todos los datos solicitados, creerá que el bloque ha sido publicado por completo. Los usuarios solo pueden descubrir a través de sus propios canales sociales que cierto bloque en realidad no ha sido lanzado por completo e instruir rápidamente a sus nodos ligeros para marcar el bloque como datos incompletos.

La importancia de la privacidad en línea

Si la persona que produjo el bloque es maliciosa y quiere engañar a algunos nodos ligeros, lamentablemente, podrá engañar a esos nodos ligeros. Sin embargo, habrá un límite máximo en el número de engañadores. Después de todo, el atacante no puede liberar demasiados bloques para que los nodos ligeros puedan trabajar realmente juntos para restaurar los datos completos.

En este momento, es posible que te preocupe si tu seguridad solo se basa en "no enemistarse con la persona que produjo el bloque" o "el atacante no sabe quién soy, por lo que no me atacará". Sí, pero por eso se mencionó anteriormente que DAS necesita la función de privacidad de la capa de red, porque si el atacante puede saber "quién" está solicitando los datos del fragmento, o sabe que los tres fragmentos A, B y C son "el mismo" individuo que busca, entonces naturalmente puede apuntar fácilmente al objetivo y proporcionar información a la otra parte. Si la capa de red de hoy tiene una función de privacidad, entonces el atacante no tendrá forma de saber quién está solicitando esta información. Naturalmente, no habrá forma de engañar al objetivo, y la eficiencia del atacante se verá muy reducida: no tiene forma de determinar si la víctima ha sido engañada, o incluso si hay algún nodo liviano.

Si el atacante no sabe quién está solicitando información, será muy difícil engañar a los nodos ligeros.

Base de seguridad para DAS

Para que Gate.io sea seguro, requiere:

1. Los datos de bloque aumentan la fiabilidad de los datos a través del código de borrado. Por ejemplo, los nodos pueden restaurar el 100% de los datos originales simplemente pasando cualquier 50% de los datos.
2. Los nodos ligeros trabajan juntos para muestrear y almacenar suficientes datos fragmentados para garantizar que se pueda restaurar la totalidad de los datos, y
3. Una red p2p robusta permite a los nodos compartir fragmentos de datos.

1. Aumentar la fiabilidad de los datos de bloque a través de la codificación de borrado

¿Cuál sería el problema si los bloques no se codificaran a través de la codificación por borrado, sino que los nodos ligeros muestrearan directamente el contenido del bloque original? La respuesta es: los datos fragmentados muestreados por los nodos ligeros deben alcanzar una cobertura del 100% para garantizar la integridad de los datos. Incluso si los nodos ligeros trabajan juntos para muestrear el 99% de los datos del bloque, este bloque seguirá siendo incompleto y no reconocido.

Sin codificación de borrado, siempre que falte un poco del bloque, significa que el bloque no ha sido completamente liberado.

Si el bloque está codificado por codificación de borrado, entonces el 100% de los datos se puede restaurar con, por ejemplo, cualquier 50% de los datos. Esto significa que los nodos ligeros pueden asegurarse de que pueden restaurar los datos siempre que los datos fragmentados muestreados juntos alcancen una cobertura del 50%. Información completa del bloque. En comparación con el 100% de cobertura, el requisito del 50% de cobertura es mucho más simple. Será mucho más difícil para los productores de bloques malintencionados ocultar alguna información para engañar a los nodos ligeros.

Nota: 50% es solo un ejemplo. Diferentes necesidades requerirán un % diferente para la restauración.

2. Los nodos ligeros guardan suficientes datos fragmentados

Si el nodo ligero no guarda suficientes datos de fragmentos, incluso si los datos de bloque se codifican a través de la codificación de borrado, no se puede restaurar el 100% de los datos. Por ejemplo, si los nodos ligeros solo almacenan el 40 % de los datos del fragmento en total y no pueden restaurar el 100 % de los datos juntos, todos estos nodos se engañarán y creerán que los datos del bloque se han liberado por completo.

¿Cómo asegurar que los nodos ligeros guarden suficientes datos? Necesitamos tener suficientes nodos ligeros o suficientes muestras para cada nodo ligero. Si hay suficientes nodos ligeros, el número de veces que se toma una muestra para cada nodo ligero no necesita ser alto; pero si no hay suficientes nodos ligeros, entonces el número de veces que se toma una muestra para cada nodo ligero debe ser lo suficientemente alto para garantizar que los nodos ligeros trabajen juntos para guardar suficientes datos.

Nota: Si el número de nodos ligeros continúa creciendo, el tamaño de los datos que pueden almacenar juntos puede aumentar realmente si el número de muestras permanece sin cambios. Por ejemplo, Celestia, que se presentará en esta serie de artículos, puede admitir tamaños de bloque flexibles. Cadena de bloques: el tamaño de bloque de Celestia se puede ajustar según el número de nodos ligeros en la red.

3. Red de p2p de sonido

Los nodos ligeros necesitan compartir datos fragmentados a través de la red p2p para que los datos completos del bloque se puedan restaurar cuando sea necesario. Si la red p2p es inestable y no puede manejar un gran número de solicitudes de datos, es posible que los nodos no puedan obtener ciertos fragmentos de datos. Además, también es necesario evitar que todos los fragmentos de datos circulen en la misma red p2p, lo que resultaría en una sobrecarga del ancho de banda de la red. Idealmente, un nodo ligero debería poder recibir solo los datos que solicita, en lugar de todos los demás datos irrelevantes. Fluye a través de sus manos a través de las redes p2p.

Además, la capa de red también necesita tener funciones de privacidad, de lo contrario el nodo ligero será identificado por el atacante. El atacante no publicará más del 50% de los datos, pero proporcionará los datos fragmentados solicitados por el nodo ligero que bloquea. Para inducir a error al nodo ligero haciéndolo creer que los datos del bloque se han publicado por completo.

Los detalles de estas tres partes se presentarán con más detalle en esta serie de artículos.

Resumir

• El problema de publicación de datos de L2 puede ser resuelto por L1 o DAC, pero L1 también encontrará problemas de publicación de datos, ya que los nodos ligeros no descargan bloques completos
• Tomando Ethereum como ejemplo, siempre que la mayoría de los validadores firmen un bloque, los nodos ligeros creerán que la información en este bloque ha sido completamente publicada. En el diseño actual, de hecho, siempre que la mayoría de los miembros del Comité de Sincronización tengan firmas, los nodos ligeros lo creerán.
• Los nodos livianos son engañados para confiar en un bloque con información publicada incompleta, lo que equivale a confiar en un bloque ilegal, es decir, confiar en una cadena bifurcada que no es reconocida por otros.
• Si los nodos ligeros deben garantizar la seguridad sin depender de la suposición de que "la mayoría de los validadores son buenas personas", se necesitará DAS
• En DAS, los nodos ligeros trabajan juntos para guardar los datos fragmentados de bloques, y con la ayuda del código de borrado, siempre y cuando los nodos ligeros guarden más de una cierta proporción (como el 50%) de datos, se puede restaurar el 100% de los datos completos
• Sin embargo, tenga en cuenta que la seguridad proporcionada por DAS es una seguridad probabilística. Un atacante aún puede engañar a algunos nodos ligeros para que crean que los datos se han liberado por completo. Si el usuario quiere estar 100% seguro de que el bloque se ha liberado por completo, solo puede descargar los datos completos del bloque él mismo
• La función de privacidad de la red también es una de las herramientas que reduce en gran medida la eficiencia del atacante. Si el atacante no puede identificar quién está solicitando este fragmento de datos, le resultará más difícil bloquear un nodo ligero específico, o incluso puede que ni siquiera sea posible. Formas de bloquear cualquier nodo ligero

Materiales de referencia y lecturas recomendadas

• https://arxiv.org/pdf/1809.09044.pdf
• https://dankradfeist.de/ethereum/2019/12/20/data-availability-checks.html
• https://www.paradigm.xyz/2022/08/das
• https://a16zcrypto.com/content/article/una-descripcion-de-danksharding-y-una-propuesta-para-la-mejora-de-das/
• https://twitter.com/sreeramkannan/status/1563615609925304320

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