数据可用性问题

通俗来讲，数据可用性（data availability，DA）指的是区块生成者将区块的所有交易数据发布到网络，使验证者能够下载它。如果区块生成者发布完整的数据并允许验证者下载，我们称该数据是可用的。然而，如果区块生成者保留了一些数据，以至于验证者无法下载完整的数据，我们称该数据是不可用的。

数据可用性问题从何而来？

随着区块链应用、用户和交易量的激增，扩容至关重要。Rollups作为一种主流的扩容方案，通过将交易处理转移到链下并批量提交至主链（尤其是以太坊），显著提升了网络的吞吐量和效率。

然而，随着Rollups数量和规模的增长，需要上传的数据量也在同步上升。一方面，这增加了以太坊的负担，而另一方面，它也提高了Rollups的成本。为了降低 Rollups 的成本和以太坊的压力，一个新的想法是创建一个独立的网络，以较低的成本专门存储Rollups的交易数据。确保交易数据发布到这个网络上，同时允许以太坊轻松访问，这就引出了本文的主题：数据可用性问题，即如何确保区块链（Rollups）上的交易数据不仅被可靠地存储和发布，而且能够高效且安全地供网络中的所有节点访问和验证。

数据可用性最初并不是一个问题，因为在区块链网络中，数据是自然可用的。只是在扩容跨越了一定的门槛之后，数据可用性才成为一个不可避免的话题。只有确保所有交易数据可以被访问和下载，以太坊才能跟踪和重建 Rollups 上的状态，也只有这样，才有可能将 Rollup 的交易数据存储在一个独立的数据网络中，降低 Rollups 的存储成本，进一步促进扩容。

Celestia如何解决数据可用性问题

数据可用性问题的解决方案有哪些？

针对数据可用性问题的解决方案有很多，可以分为两个主要部分：链上和链下。

1. 链上解决方案：指的是仍然将以太坊作为DA问题的解决方案，利用以太坊来减轻DA成本。这意味着以太坊将在未来发展成为一个实时的公告板，公告板上的数据在一定期限后被删除。所以，Rollups必须开发独立存储所有数据备份的方法。
2. 链下解决方案：指的是不再依赖以太坊作为DA层的策略，寻求更具成本效益的方法来确保DA。根据去中心化和安全性的差异，链下解决方案可以分为四种类型：Validium、数据可用性委员会（DAC）、Volition和通用的DA解决方案。

除此之外，Celestia已经在主网上线的DA项目中具有竞争力的领导者。作为模块化公链的先驱，Celestia是基于Cosmos SDK构建的，主要关注DA。模块化区块链是区块链设计的新范式。模块化区块链不是由一条区块链完成所有工作，而是专门针对特定功能进行优化和专门化。

Celestia如何将数据可用性模块化？

在这里我们所讨论的，就是将数据可用性从以太坊中抽象出来，将其模块化。Celestia会在自己的网络上存储和发布 Rollups 本来会上传到以太坊的交易数据，并组织节点来验证这些数据是否完全发布在网络上。 其目标是成为一个独立的数据可用性层，这可以被视为 DAC 的高级版本。

实现一个独立的数据可用性层需要 3 个主要步骤：

1. Rollups 将所有交易数据传递给 Celestia
2. Celestia 在其网络上发布所有这些数据
3. 以太坊确认 Celestia 已经存储和发布了这些数据，并且可以随时访问这些数据。

便宜的网络：Celestia

Rollups 需要通过更便宜的网络获得数据可用性，而 Celestia 则需要通过托管 Rollups 的交易数据获得收入。

将Rollups的交易数据发布至Celestia，而不是以太坊，最大的好处是节省成本。

对于Rollups来说，数据可用性是一个重大制约因素。低 DA 吞吐量会导致费用过高，从而限制了开发人员可以构建的应用程序类型。 总体而言，数据可用性约占 Rollups 支付成本的95%。一旦 DA 不再是制约因素，开发人员就可以解锁新的盈利机会和构建完全链上应用程序的新功能。

callData是什么？

Rollups 将交易作为 calldata 写入以太坊。 calldata 是智能合约函数外部调用中存储数据的位置。calldata 中的信息会被发布到区块链上，允许任何人独立地重构 Rollups 的状态。

用户在L2进行交易都要求用户支付两种费用来进行交易：L2 gas（执行费用）和L1 calldata（安全费用）。

1. L2 gas（执行费用）类似于主网上的gas费用。在L2上的每个交易都必须支付gas费用。
2. L1 calldata（安全费用）用于支付将交易发送回以太坊的费用。这是因为Sequencer 必须支付L1 gas来向以太坊提交交易。

callData 中的数据不会做为以太坊 state 的一部分，而是类似于日志记录，所以存储成本更低。但现在，calldata 已经从以太坊上最便宜的资源，变成以太坊 Rollups 最昂贵的资源。

callData存储成本对比：Celestia vs. 以太坊

我们以polygon zkEVM为例，通过对比将callData分别发布到以太坊和Celestia，各自的成本相差很大，Celestia方案可以节省很大的成本。

安全性和可扩展性的保障：DAS

以上，我们可以看到，相比与以太坊，Rollups将数据发布在Celestia上可以显著节省成本，这也消除了数据可用性对链上应用程序的核心扩展瓶颈。这种方式将开发人员的成本降低了约95%，使他们能够构建完全链上的应用程序，而无需担心成本问题。

然而，没有了以太坊的共识作为安全保障，Celestia等数据可用性层在实现更低成本和更高吞吐量的同时，会面临安全性低的问题吗？

当然，这在具有数据可用性采样（DAS）的数据可用性层技术的加持下，这些问题不再是障碍。这是因为DAS可以提供 DA 的去中心化网络，而不依赖单一的中心化实体或节点。这种方式使得Celestia在保证数据完整性的同时，能够去中心化地验证数据，避免了中心化网络可能带来的安全隐患。

DAS 使 Celestia 能够扩展 DA 层。 DAS 可以由资源有限的轻节点执行，因为每个轻节点仅对区块数据的一小部分进行采样。网络中的轻节点越多，它们可以集体下载和存储的数据就越多。

这意味着，增加执行 DAS 的轻节点数量可以实现更大的区块（即包含更多交易），同时仍保持 DAS 对于资源有限的轻节点的可行性。但是，为了验证区块头，Celestia 轻节点需要下载4K个 intermediate Merkle 根。

对于n^2大小字节的块数据，这意味着每个轻节点必须下载o(n) 个字节。因此，Celestia 轻节点带宽容量的任何提升都会对 Celestia DA 层的吞吐量产生二次效应。

总结

通过将数据可用性层从以太坊中独立出来，Celestia为Rollups提供了一个低成本、高吞吐量的解决方案，解决了数据可用性问题，并且通过去中心化的DAS技术保障了数据的安全性和系统的可扩展性。

references： 什么是数据可用性？ 数据可用性层（DA）如何塑造区块链的未来 使用 Celestia实现历史性成本节约 深入探讨数据可用性 (DA) 战争：背景、生态系统和未来发展