Quais são os benefícios da tecnologia de Amostragem de Disponibilidade de Dados? Por que precisamos disso?

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Conhecimentos prévios:

• Tenha uma compreensão básica da operação de consenso do Ethereum
• Conheça a diferença entre Full Node e Light Node
• Conheça os problemas do Rollup e a publicação de dados (disponibilidade de dados)

O seguinte será Publicação de Dados para chamar Disponibilidade de Dados, mas algumas palavras relacionadas com Disponibilidade de Dados, como DAS e DAC, manterão as palavras originais para evitar que os leitores não consigam conectar-se ao texto original em inglês. Para uma introdução ao nome Publicação de Dados, por favor consulte:

Disponibilidade de dados renomeada: Publicação de dados substitui Disponibilidade de dados

Recentemente, algumas pessoas propuseram o uso de "Publicação de Dados" para substituir "Disponibilidade de Dados" para evitar a confusão causada pelo termo DA. Este artigo apresentará a confusão causada pela palavra DA e por que a Publicação de Dados deve ser usada em vez de Dados...

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Esta série de artigos irá introduzir o mecanismo operacional da DAS através do Danksharding, bem como as semelhanças e diferenças entre Celestia, EigenDA e AvailDA. O primeiro artigo irá introduzir porque precisamos da DAS e os benefícios que a DAS traz.

Recap: Porque é que se discute a questão da divulgação de dados?

Atualmente, a situação mais comum em que a libertação de dados é discutida no ecossistema Ethereum é ao discutir o design da L2: a L2 é também uma cadeia, por isso terá os seus próprios blocos e dados de transação, então onde devem ser colocados esses dados? Porque os utilizadores precisam desta informação para garantir a segurança.

• Se for um Rollup, ele carregará os dados da transação para L1, como o Ethereum, usando o Ethereum como local para armazenar os dados.
• Se não for Rollup, os dados serão colocados em outro lugar, como por um grupo de membros confiáveis. Esse custodiante é chamado de Comitê de Disponibilidade de Dados (DAC).

Para obter mais informações sobre a relação entre Rollup e a libertação de dados, consulte:

Rollup e disponibilidade de dados

Este artigo irá apresentar a relação entre a disponibilidade de dados e o Rollup, e como o Rollup pode fazer alguns sacrifícios na disponibilidade de dados em troca de custos de transação mais baixos.

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Mas na verdade, não é apenas a L2, a própria cadeia Ethereum também precisará enfrentar o problema da liberação de dados, porque os nós leves não irão baixar dados completos do bloco como os nós completos, então os nós leves precisam acreditar que "quando um novo bloco aparece, naquele momento, os dados completos do bloco foram realmente liberados." Quando um nó leve é enganado a acreditar em um bloco "incompleto", o impacto é o mesmo que quando é enganado a acreditar em um bloco "ilegal" - ele está conectado a um link que não é reconhecido por outros. Cadeias bifurcadas.

Os nós completos não acreditarão em blocos incompletos, mas os nós leves irão

Então, em quem confia o nó leve atual da Ethereum para garantir que os dados de um novo bloco sejam completamente divulgados? A resposta é “Validadores”. Quando um nó leve recebe um novo bloco, não irá baixar os dados do bloco completo, mas verá quantos validadores votaram no bloco. Quando bastantes validadores votam neste bloco, acreditará que a informação completa deste bloco foi de facto publicada. Esta é uma suposição pertencente à Maioria Honesta, que é a crença de que a maioria dos validadores são pessoas boas.

Quando bastantes validadores assinam o bloco, o nó leve acreditará que o bloco foi totalmente libertado.

Nota: Atualmente, os nós leves do Ethereum não recolhem efetivamente os votos de centenas de milhares de validadores para cálculo, pois o número é muito grande e o cálculo é demasiado consumidor de recursos. Em vez disso, é atribuído outro grupo de Comitê de Sincronização com um número muito menor, composto pela assinatura do validador no interior, que serve como garantia para o nó leve. Isso é considerado uma abordagem transitória, aguardando um design mais completo e maduro para substituí-lo no futuro.

Amostragem de Disponibilidade de Dados

"Acreditar que a maioria dos validadores são pessoas boas" parece uma escolha razoável e boa, mas e se pudermos fazer melhor? E se um dia realmente acontecer que a maioria dos validadores queira unir forças para nos enganar, dizendo que possuem dados de bloco completos, mas na realidade não possuem, mas contanto que haja algumas pessoas boas na rede p2p, podemos evitar ser enganados?

Uma capacidade tão grande certamente não surgirá do nada. Para ter essa capacidade, é necessário construir uma rede p2p estável o suficiente, ter usuários suficientes e até adicionar funções de privacidade à camada de rede. Esta capacidade é o foco desta série de artigos - Amostragem de Disponibilidade de Dados (DAS).

Num blockchain com DAS, os nós leves não apenas receberão passivamente novos dados de bloco, mas participarão em conjunto na operação do DAS: cada nó leve deve ir para a rede p2p para cada bloco. No caminho, ele procura várias partes de dados no bloco e salva os dados, compartilhando-os com outros nós quando eles pedem dados. Assim como o protocolo descentralizado de compartilhamento de arquivos BitTorrent, nós na rede salvam e compartilham os dados com os quais se importam juntos, em vez de depender de um servidor centralizado.

Os nós leves trabalham juntos para recuperar e partilhar dados fragmentados de blocos através da rede p2p

Nota: Num cenário ideal, os utilizadores de blockchain executariam todos nós leves, participariam na operação do DAS e garantiriam segurança em conjunto, em vez de confiarem completamente nos outros nós como acontece agora.

Cada nó leve não pode acreditar que os dados do bloco foram completamente libertados até obter com sucesso cada pedaço de dados solicitado. No entanto, uma vez que todos os pedaços de dados solicitados foram obtidos, pode acreditar com segurança que os dados do bloco foram libertados. A informação foi libertada na totalidade. Mas por que é que os nós leves podem acreditar com segurança que os dados do bloco completo foram libertados mesmo que apenas tenham dados fragmentados? Isto deve-se ao facto de que outros nós leves na rede também armazenarão dados fragmentados separadamente, por isso, quando necessário, todos poderão trabalhar em conjunto para juntar dados completos a partir dos dados fragmentados uns dos outros, e outra habilidade mágica do DAS é: Os dados guardados pelos nós leves não precisam de cobrir os dados completos do bloco. Os nós leves podem restaurar 100% dos dados desde que obtenham 50% dos dados.

Desde que os nós leves tenham mais de 50% dos dados do fragmento, podem restaurar os dados do bloco completo.

Nota: Não necessariamente será de 50%, pode ser superior, dependendo da configuração do DAS, mas certamente será inferior a 100%.

Portanto, no DAS, mesmo que a maioria dos validadores vote num determinado bloco, os nós leves não acreditarão facilmente no bloco. O nó leve irá realizar amostragem (Sampling), ou seja, solicitar os dados do fragmento do bloco. Quando todos os fragmentos solicitados forem obtidos, acreditar-se-á que os dados do bloco foram completamente divulgados.

Maioria Honesta -> Minoria Honesta

Comparado com o Ethereum, que atualmente não tem DAS, os nós leves devem depender de “a maioria dos validadores são pessoas boas”, que é a suposição da Maioria Honesta; depois que o Ethereum se junta ao DAS, os nós leves dependem de “um pequeno número de nós que são (vai amostrar e “Uma boa pessoa que mantém informações” é a suposição da Minoria Honesta.

Nota: “Poucos” refere-se ao facto de que o número de nós leves que precisam de ser amostrados e armazenados para restaurar dados completos é relativamente pequeno em comparação com todos (muitos) os nós leves na rede.

segurança probabilística

Como mencionado anteriormente, quando um nó leve recebe todos os dados de fragmentos que solicitou, acreditará que os dados do bloco foram totalmente liberados, e os nós leves na rede podem trabalhar juntos para emprestá-lo quando necessário. Os dados completos podem ser restaurados a partir dos dados fragmentados, mas... e se a pessoa que produziu o bloco for maliciosa e não tiver liberado dados de bloco suficientes desde o início? E se estiver direcionado a um determinado nó leve e não fornecer mais nenhum dado após fornecer os dados de fragmentos necessários por esse nó leve?

Alice obteve com sucesso a informação solicitada, por isso acredita que a informação do bloco foi completamente divulgada e acabará por recuperar o bloco que foi descartado por outros nós.

Então este nó de luz pobre terá que ser enganado, e esta também é a limitação e o trade-off do DAS: a garantia de "liberação completa de dados" fornecida pelo DAS é uma garantia de probabilidade, não uma garantia 100% e categórica, mas isso ainda é melhor do que ter que confiar completamente na maioria dos validadores. Se você acha que a garantia de probabilidade não é segura o suficiente e quer ter 100% de certeza se os dados do bloco foram completamente liberados, então sinto muito, você só pode executar um nó completo você mesmo para baixar os dados completos do bloco.

Nota: O programa que executa o nó leve não tem forma de saber que foi enganado. Para o programa, desde que receba todos os dados solicitados, acreditará que o bloco foi totalmente publicado. Os utilizadores só podem descobrir através dos seus próprios canais sociais que um determinado bloco está na realidade incompletamente divulgado e rapidamente instruir os seus nós leves a marcar o bloco como dados incompletos.

A importância da privacidade online

Se a pessoa que produziu o bloco for maliciosa e quiser enganar alguns nós leves, infelizmente, será capaz de enganar esses nós leves. No entanto, haverá um limite superior para o número de enganadores. Afinal, o atacante não pode lançar muitos blocos para que os nós leves possam realmente trabalhar juntos para restaurar os dados completos.

Neste momento, você pode estar preocupado, sua segurança pode ser baseada apenas em "nenhuma inimizade com a pessoa que produziu o bloqueio" ou "o atacante não sabe quem eu sou, então ele não vai me atacar"? Sim, mas é por isso que foi mencionado anteriormente que o DAS precisa da função de privacidade da camada de rede, porque se o invasor pode saber "quem" está solicitando os dados do fragmento, ou sabe que os três fragmentos A, B e C são "o mesmo "Indivíduo" está procurando, então ele pode naturalmente facilmente atingir a vítima alvo e fornecer informações para a outra parte. Se a camada de rede de hoje tiver uma função de privacidade, o invasor não terá como saber quem está solicitando essa informação. Naturalmente, não haverá como enganar o alvo, e a eficiência de ataque do atacante será muito reduzida: não tem como determinar se a vítima foi enganada, ou mesmo qualquer nó leve.

Se o atacante não souber quem está a solicitar informações, será muito difícil enganar os nós leves.

Base de Segurança para DAS

Para o DAS ser seguro, requer:

1. Os dados de bloco aumentam a confiabilidade dos dados através da codificação por apagamento. Por exemplo, os nós podem restaurar os dados originais de 100% passando apenas 50% dos dados.
2. Os nós leves trabalham juntos para amostrar e armazenar dados fragmentados suficientes para garantir que os dados completos possam ser restaurados e
3. Uma rede p2p robusta permite que os nós partilhem fragmentos de dados.

1. Aumentar a fiabilidade dos dados de bloco através da codificação de apagamento

Qual seria o problema se os blocos não fossem codificados através de codificação por apagamento, mas deixar os nós leves amostrarem diretamente o conteúdo do bloco original? A resposta é: os dados fragmentados amostrados pelos nós leves devem atingir uma cobertura de 100% para garantir a integridade dos dados. Mesmo que os nós leves trabalhem juntos para amostrar 99% dos dados do bloco, este bloco ainda está incompleto e não reconhecido.

Sem codificação de apagamento, se faltar um pouco do bloco, significa que o bloco não foi totalmente liberado.

Se o bloco for codificado por codificação por apagamento, então 100% dos dados podem ser restaurados com, por exemplo, qualquer 50% dos dados. Isto significa que os nodos leves podem garantir que podem restaurar os dados desde que os dados fragmentados amostrados juntos atinjam uma cobertura de 50%. Informação completa do bloco. Comparado com uma cobertura de 100%, o requisito de uma cobertura de 50% é muito mais simples. Será muito mais difícil para produtores de blocos maliciosos esconderem algumas informações para enganar os nodos leves.

Nota: 50% é apenas um exemplo. Diferentes necessidades terão diferentes % necessárias para restauração.

2. Os nós leves guardam dados de fragmentos suficientes

Se o nó leve não salvar dados de fragmentos suficientes, mesmo que os dados do bloco sejam codificados por codificação de apagamento, não é possível restaurar 100% dos dados. Por exemplo, se os nós leves armazenarem apenas 40% dos dados de fragmentos no total e não conseguirem restaurar 100% dos dados juntos, então todos esses nós serão enganados e acreditarão que os dados do bloco foram totalmente divulgados.

Como garantir que os nós leves guardem dados suficientes? Precisamos ter nós leves suficientes ou amostras suficientes para cada nó leve. Se houver nós leves suficientes, o número de vezes que cada nó leve é amostrado não precisa ser alto; mas se não houver nós leves suficientes, então o número de vezes que cada nó leve é amostrado deve ser suficientemente alto para garantir que os nós leves trabalhem juntos para guardar dados suficientes.

Nota: Se o número de nós leves continuar a crescer, o tamanho dos dados que podem armazenar em conjunto pode aumentar se o número de amostras permanecer inalterado. Por exemplo, Celestia, que será introduzida nesta série de artigos, pode suportar tamanhos de bloco flexíveis. Blockchain: o tamanho do bloco da Celestia pode ser ajustado de acordo com o número de nós leves na rede.

3. Rede p2p Sonora

Os nós leves precisam compartilhar dados fragmentados através da rede p2p para que os dados completos do bloco possam ser restaurados quando necessário. Se a rede p2p for instável e não puder lidar com um grande número de solicitações de dados, os nós podem não ser capazes de obter certos fragmentos de dados. Além disso, também é necessário evitar que todos os fragmentos de dados circulem na mesma rede p2p, resultando em sobrecarga de largura de banda da rede. Idealmente, um nó leve deve ser capaz de receber apenas os dados que solicita, em vez de todos os outros dados irrelevantes. Flua através de suas mãos através das redes p2p.

Além disso, a camada de rede também precisa ter funções de privacidade, caso contrário, o nó leve será identificado pelo atacante. O atacante não irá publicar mais do que 50% dos dados, mas fornecerá os dados fragmentados solicitados pelo nó leve que bloqueia. Para induzir em erro o nó leve a acreditar que os dados do bloco foram completamente divulgados.

Os detalhes destas três partes serão introduzidos com mais detalhe nesta série de artigos.

Resumir

• O problema de publicação de dados do L2 pode ser resolvido pelo L1 ou DAC, mas o próprio L1 também enfrentará problemas de publicação de dados - porque os nós leves não baixam blocos completos
• Tomando Ethereum como exemplo, desde que a maioria dos validadores assine um bloco, os nós leves acreditarão que a informação neste bloco foi completamente publicada. No design atual, na verdade, desde que a maioria dos membros do Comitê de Sincronização tenham assinaturas, os nós leves acreditarão.
• Os nós leves são enganados a confiar num bloco com informações publicadas incompletas, o que equivale a confiar num bloco ilegal, ou seja, confiar numa cadeia bifurcada que não é reconhecida por outros.
• Se os nós leves devem garantir segurança sem depender da suposição de que a maioria dos validadores são pessoas boas, será necessário o DAS
• Em DAS, os nós leves trabalham juntos para salvar dados fragmentados de blocos e, com a ajuda da codificação de apagamento, desde que os nós leves salvem mais do que uma certa proporção (como 50%) dos dados, 100% dos dados completos podem ser restaurados
• No entanto, note que a segurança fornecida pela DAS é uma segurança probabilística. Um atacante ainda pode conseguir enganar alguns nós leves, fazendo-os acreditar que os dados foram completamente divulgados. Se o usuário deseja ter certeza de 100% de que o bloco foi completamente divulgado, ele só pode baixar os dados completos do bloco por si próprio
• A função de privacidade da rede também é uma das ferramentas que reduz muito a eficiência do atacante. Se o atacante não conseguir identificar quem está solicitando este fragmento de dados, será mais difícil para ele bloquear um nó de luz específico, ou talvez nem seja possível. Formas de bloquear qualquer nó de luz

Materiais de referência e leituras 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/an-overview-of-danksharding-and-a-proposal-for-improvement-of-das/
• https://twitter.com/sreeramkannan/status/1563615609925304320

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