PSE Trading：模塊區塊鏈新敘事——DA層群雄逐鹿

2023-08-27 00:08:12

原文作者： @cryptohawk ， PSE Trading Analyst

1. 模塊化區塊鏈中必不可缺的一環

歷史主流區塊鏈架構為非分層結構，即計算/結算/共識/數據可用性四部分核心功能由同一批節點來執行。分層結構的區塊鏈則相反，節點只需要專注於計算/結算/共識/數據可用性四部分核心功能中的一部分，從而降低節點硬件門檻，進而實現擴容。

區塊鏈的四大核心功能模塊定義：

在以太坊為核心的 Ethereum Rollups 生態如火如荼發展的當下，L2的 gas fee 相比L1已能夠節約近 90% ，卻依舊不夠低，距離未來設想的接入數億 C 端用戶的目標還存在距離。

根據 23.7 ETH Community Conference 上 Avail 創始人的演講，目前 Rollups 近 70% 的成本在於以太坊L1上發布 tx 數據&證明數據。模塊化區塊鏈的下一步幾乎可預見的是，ETH L1和衆多專用 DA 層在數據可用性層面的競爭將大幅降低新 rollups 的進入門檻，不犧牲安全性和去中心化的情況下進一步增強區塊鏈的可擴展性&降低交互成本。

2 DA 層最新發展情況

2.1 DA 層技術路徑

關於如何保障數據的可用性，DA 層採用了許多技術創新，一些技術方向得到了 DA 層的共識，比如在確保完整數據可被獲得/恢復：

（1）糾刪碼

為了防止 DA 節點丟失數據片段，糾刪碼技術將原始數據從 N 個元素擴展為 M 個元素 (M > N)，只要從擴展數據的 M 個元素中獲得任何 N 個獨特元素，就能夠重建完整的擴展數據。

DA 層以區塊內 tx/blob 作為最小元素，EigenDA & Espreeso 採用一維 Reed-Solomon 編碼方案， Celestia & ETH Darksharding 採用二維 Reed-Solomon 編碼方案。

（2）數據可用性抽樣

數據可用性抽樣機制建立在糾刪碼的基礎上，即不需要節點下載完整區塊數據，通過足量節點（甚至是輕節點）向區塊構建者隨機採樣一定數量的數據塊，即可保證最差情況下完整區塊可被恢復。

當然，在另外一些技術方向上，比如如何證明原始數據已被正確地編碼擴展，不同 DA 層採用的方案存在差異：

（1）欺詐證明模式

代表項目：Celestia

通過輕節點採樣到足夠的獨特數據塊並廣播至全節點，誠實的全節點便能夠執行編碼恢復完整區塊，並重新計算 Data Merkle Root 與區塊構建者發布的 Root 進行對比驗證。倘若驗證不通過，即證明原始數據未被正確地編碼擴展，全節點將向輕節點&全節點廣播欺詐證明。

優勢：博弈論激勵機制落地的技術障礙更小；

劣勢：需要滿足最小誠實假設。

（2）KZG 承諾模式

代表項目：EigenDA、 Espresso 、Avail、ETH Darksharding

KZG 承諾是一種多項式承諾證明，根據 DA 層的 tx 數據規範，將所有原始數據和擴展數據映射到 X, Y 網格上，如下圖中的 8 個元素(d 0, x 0),(d 1, x 1)…(e 0, x 4),(e 1, x 5)…，然後通過拉格朗日插值找到貫穿它們的最小階多項式，Prover 需要對此多項式 f(x)配合一個祕密的可信設置做出承諾 C(f)。

隨後，Prover 將針對群元素根據產生一個固定 48 字節大小的證明Π，配合 C(f)即可使 verifier 針對每個元素驗證其 y=f(x)是否成立，倘若所有原始數據和擴展數據的元素點均處於相同的多項式上，就能夠證明原始數據已被正確地編碼擴展。

優勢：驗證證明速度快；

劣勢：需要提前進行可信設置&不抗量子計算。

（3）DA 委員會多籤模式（Data Availability Committee）

代表項目： Arbitrum Nova

此模式下，區塊鏈依賴一個外部的 DA 委員會來存儲 tx 數據，並承諾根據 B 端/C 端用戶需求提供數據。所謂 DA 承諾，即委員會成員對某個 tx 數據區塊的 Hash & DA 到期時間進行滿足一定數量閾值的 BLS 籤名即可。

優勢：成本極低；

劣勢：數據可用性還依賴於匹配的誠實激勵模式+作惡懲罰模式+DAO 治理模式，可靠性低於欺詐證明&KZG 承諾證明，因此適用於價值較低的非金融應用的交互 tx 數據存儲。

2.2 模塊分工方案

針對區塊鏈不同模塊在具體項目之間如何分工，市面上也存在諸多設計方案，下面列舉了 Celestium、Celestia Sovereign Rollup、Eigen Rollup、Espresso Rollup、Ethereum Rollup 六種主流設計框架。

拋出幾個核心觀點：

（1）統一結算層能夠使衆多 Rollup 享受跨鏈安全性&聚合流動性。

相比起L1之間通過中繼信任層進行跨鏈，Rollup 之間通過統一結算層，可實時在結算層共享彼此之間的全局狀態，進行代幣&信息跨鏈的安全性更高。

下面筆者列舉了兩個第三方跨鏈橋方案：

通過 Rollups 其下官方跨鏈橋合約&SDK 實現無需更大信任假設的跨鏈；

通過第三方流動性池實現更快速更低成本的跨鏈。

（2）tx 排序權不應該由 DA 層承擔。

近期 Celestia 研究員 NashQ 提出多種 Rollup 變體模塊，其中將 tx 排序權主要分配給聚合器/DA 層。筆者認為，如今有關 mev 民主化分配的討論越來越受到重視，以 PBS 為代表的機制能夠將 mev 價值在套利者&節點/排序器之間合理分配，將大概率被頭部 Rollup 採用。而 DA 層在共識機制和網絡架構的設計更應該專注於數據可用性的保障上，倘若加入 tx 排序相關的額外 mev 分配機制，或將對網絡架構的技術要求提出不必要的挑战。

（3）未來十年內 Ethereum 依舊是大多數 Rollup 共識層&結算層的最佳選項。

在模塊化區塊鏈框架下，大多數區塊鏈用戶（甚至從業者）不太關心共識層所提供的安全性&區塊終結性究竟如何，而筆者認為共識層是區塊鏈模塊中的最重要一環，即使是在 2023 年也出現過 Polygon POS 鏈的異常區塊回滾事件，使得 Cex & 跨鏈協議針對 Polygon POS 鏈的區塊確認時間大幅延長，產生了不利的深遠影響。因此，筆者判斷未來十年內 Ethereum 作為智能合約公鏈的共識層龍頭（九一开）難以動搖，也是 Rollup 共識層的最佳選項。而結算層作為 Rollup 區塊&全局狀態結算確認的關鍵模塊，與共識層統一是最好的選擇。

3 主流 DA 層項目簡介

3.1 Celestia

Celestia 作為首個提供 DA 層的解決方案，其網絡架構分為共識層和數據可用性層。

（1）共識層：Celestia 在很大程度上借鑑了 Cosmos 的架構，構建了一條名為 Celestia APP 的 POS 鏈作為共識層，其下 Celestia-core 將 Tendermint 的修改版本作為共識算法，節點仍使用 Tendermint p2p網絡規則，並通過 ABCI++連接到應用層（即狀態機）執行 PoS 邏輯並進行治理。

（2）數據可用性層：Celestia 通過數據可用性採樣（DAS）技術，允許輕節點無需下載完整的區塊，僅下載包含區塊數據 Merkle root 的區塊頭就能夠生成接近全節點的安全屬性。

具體來看，在每一輪 DAS 中，Celestia 輕節點會對每個區塊進行糾刪碼編碼後的 2 k × 2 k 數據塊進行採樣。每個輕節點在擴展矩陣中隨機選擇一組坐標，並在全節點中查詢數據塊以及這些坐標處相應的 Merkle 證明。

假設全節點在廣播包含 1000 筆 tx 的區塊時隱藏了 tx，要求輕節點通過採樣檢驗對所有區塊數據可用（即未檢驗到錯誤/丟失無法足以恢復完整區塊的數據塊）的假設達到 99.9999% 的置信概率，倘若針對 1000 個原始數據塊簡單採樣&惡意全節點隱藏了 1 筆 tx，則需要約 1.38 萬次採樣才能達到，還不如直接下載完整區塊；而倘若針對 400 萬個擴展數據塊作抽樣&惡意全節點隱藏了超過 100 萬個數據塊，僅需 48 次採樣即可，效率相差約 288 倍。

DAS 能夠實現什么：

1. 少量採樣即可發現全節點廣播的區塊是否隱藏超過 25% 的區塊數據；

2. 採樣獲得 75% 的數據即可保證能恢復完整的區塊數據。

DAS 不能實現什么：

1. 倘若區塊生產者隱藏了超過 25% 的數據，就有可能無法恢復完整的區塊數據；

2. 倘若沒有足夠的輕節點進行採樣，就有可能無法採樣到足夠的不重復數據塊以重建整個區塊。

深度研報見: https://www.notion.so/web3-research/Celestia-27c77558cd5145c1ae3d7c8ab0d2084b

3.2 EigenDA

EigenDA 作為 EigenLayer 官方自己开發的第一條 AVS 網絡，屬於 EigenLayer 的“親兒子”，定位於以太坊安全性子集的 DA 層，並主推結算層由執行層兼任的主權區塊鏈方案。

創始人 Sreeram Kannan 在 DA 上對 Coded Merkle Tree、Scalable Data Availability Oracle、DispersedLedger 等技術進行了創新性的研究，目前採用區塊數據 2 倍冗余一維糾刪碼+KZG 承諾+Authenticated Coded Dispersal (ACeD)單節點存儲 1/n 數據塊（網絡節點數量 n）的技術框架，希望在 DA 效率和節點寬帶上大大實現超過 ETH 最終 DA 方案 Danksharding。

深度研報見: https://www.notion.so/web3-research/EigenLayer-8424bc53c2714fec99c68d9324787e6a

3.3 Espresso

Espresso Sequencer 網絡選擇在相同節點集下以模塊化方式分離 DA 層和共識層，DA 層負責篩選&排序 tx+保證數據可用性，共識層僅負責就數據集的簡短承諾達成一致。另外，DA 層和共識層還將通過如 EigenLayer 的重質押層來租用/共享 ETH 的安全性。

優點：

（1）靈活性：樂觀條件下通過 CDN&小型 DA 委員會可大幅提高網絡的數據傳輸能力&區塊確認速度，悲觀條件下網絡也能夠及時轉向P2P協議&DA 基礎層保證安全性；

缺點：

（1）架構冗余：Espresso Sequencer 共識層完全沒必要與 DA 層分離；

（2）網絡安全性幾乎等同於 EigenLayer 在 Espresso Sequencer 網絡的重質押 ETH 數量，與 EigenDA 同賽道競爭格局下存在 EigenLayer 資源傾向親兒子的風險；

（3）MEV 捕獲能力&交易審查權完全集中在 Tiramisu 即 Espresso DA 層，未來需要接入如 PBS 方案進行優化。

深度研報見: https://www.notion.so/web3-research/Espresso-Systems-8883e47a65dc485cb823090d32206ebd

3.4 ETH Proto-Darksharding

在 Vitalik 於 22.11.5 展示的以太坊未來路线圖中，清楚地展示了繼 The Merge ：POW 轉 POS 階段後，以太坊下一階段的重點目標就是通過 EIP 4844 為 Rollups 實現交易性能的進一步提升，而整個以太坊的定位為 DA&共識&結算層，單獨只將執行層賦予 Rollups。

EIP 4844 預計將在年底的坎昆升級中上线，該 EIP 引入了一種新的 transaction type，即 blob-carrying transaction，Rollup 上傳的 tx 數據能夠通過 blob 的形式在 ETH Layer 1 上作非永久存儲。單 blob 大小為 128 KB，每個 block 理想狀態包含 8 個 blob，大小約為 1 MB，最多包含 16 個 blob，大小約為 2 MB，相比目前 ETH 的平均區塊大小 90 KB 進行了極大的專項擴容。為防止 ETH 節點存儲狀態爆炸，計劃對一段時間窗口以外的 blob（具體的時間窗口未定，可能為 2 周或 1 個月）進行自動刪除，因此可以將 blob 看成一種緩存。

盡管 Vitalik 設想的未來終局只有狀態根存儲在以太坊鏈上，詳細的交易數據存儲在專用的 DA 層上，但近在咫尺的短期折衷解決方案 EIP 4844 將會指向 ETH 鏈與專用 DA 層的直接業務競爭，專用 DA 層除了打“數據存儲費用更低”的牌之外，能否探索出更廣闊的商業模式，構建出更好的 DAPP 生態，將會是成功與否的關鍵。

4 結論

在過去一輪周期內，整個泛數據存儲賽道在資本泡沫的堆積和對开發者的吸引力上並不佔優勢，或源於用戶對中心化數據存儲&托管風險並不敏感，去中心化存儲的需求暫時被證僞。而 DA 層作為模塊化區塊鏈中不可或缺的一個模塊，定位於最有價值的執行層交易 tx 數據的存儲，並以更低的成本保證數據的可用性（公开訪問無准入&抗審查）&完整性&正確性&隱私性，將會是更有商業需求的一種敘事。

中短期來看，DA 層賽道將出現群雄割據的局面。

（1）Ethereum Rollup 在坎昆升級後受益於 EIP 4844 帶來的 blob 數據存儲成本下降，或將繼續保持 ETH L1在 DA 模塊的市場競爭力；

（2）看好以 ETH L1作為結算層的 DA 層解決方案（如 Celestium），通過使執行層共享跨鏈安全性/流動性，給執行層之間帶來更好的“樂高積木”互操作性，有利於生態發展的良性循環；

（3）看好依托 EigenLayer 重質押協議的 DA 層解決方案（如 EigenDA、Espresso）,既能獲得 tx 數據存儲成本的降低，又能共享部分 ETH L1安全性；

（4）擁有良好激勵分配機制（如 PBS）的共享排序器方案將受到頭部 Rollup 執行層的採用，tx 篩選/排序權不應該賦予 DA 層，DA 層應專心做好數據可用的任務。

參考資料：

1. https://docs.celestia.org/

2. 'Unpacking Celestia'，from Analyst DAO

3. 'Pay Attention To Celestia', by Can Gurel, from Delphi Digital

4. 'State of Modular Blockchains', by Roy Lu

5. 'Fraud and Data Availability Proofs: Maximising Light Client Security and Scaling Blockchains with Dishonest Majorities', by Mustafa Al-Bassam, Alberto Sonnino, and Vitalik Buterin

6. Data availability sampling and danksharding: An overview and a proposal for improvements，by Valeria Nikolaenko and Dan Boneh

7. Exploring MEV on EigenLayer，by Walt Smith

8. Hack Summit 2023 How to build new VMs and rollups using eigenDA

9. EigenLayer: The Restaking Collective ，by EigenLayer Team

10. Don't overload Ethereum's consensus

11. https://hackmd.io/@EspressoSystems/HotShot-and-Tiramisu

12. https://github.com/EspressoSystems/HotShot/blob/main/docs/espresso-sequencer-paper.pdf

13. HotStuff 共識算法詳解

14. The Hitchhiker's Guide to Ethereum, by Jon Charbonneau

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