什麼是Data Availability
大家都知道，區塊鏈技術的一個特點就是：存放在鏈上的數據是安全可靠的，不可篡改的。那數據可用性是指的什麼呢？難道區塊鏈的共識不能保證數據的安全了嗎？顯然不是，區塊鏈數據的安全性，是大家都認可的，也是區塊鏈一直持續發展的一個動力之一。那麼DA（數據可用性）層是什麼，我們先來看看下面幾種情況。
一個節點如果想驗證某一筆交易或者某一個區塊，這個節點需要下載所有的區塊和交易數據。由於區塊鏈的持續運行，區塊和交易數據會持續增長，這個節點的成本也會越來越高。以至於越來越多的節點（特別是個人用戶）只能選擇運行輕節點。這些輕節點，沒有下載所有的交易數據，它們不能對交易和區塊進行驗證，只能相信它們選擇的共識節點（全節點）。因此，實際上這些輕節點是不知道獲得的數據是否可用。
同時區塊鍊網絡為了提高效率，一直在嘗試進行擴容。以太坊的L2 就是以太坊的一種擴容方案，從而提高以太坊的吞吐量。但L1 和L2 在本質上還是兩個網絡，L1 是不會參與L2 的共識，也不會驗證和執行L2 的交易，同理L2 也不會參與L1 的共識，亦不會驗證和執行L1 的交易。但是在此時，L1 與L2 之間其實是有信任問題的，例如：Rollup 要求將所有交易數據都記錄到以太坊的交易中，那麼Rollup 的用戶為了驗證自己的交易是否存入以太坊，他還需要運行一個以太坊的全節點嗎？
從目前區塊鏈的工作機制當中我們可以知道，當一個節點不參與共識的時候，特別是沒有存儲所有交易數據的時候，對於它自己獲得的數據是否有效它是無法驗證的，這些節點目前都只能相信自己連接的共識節點不會欺騙自己，或者多連接幾個共識節點，做一個小小的容錯。
因此DA層解決的問題是，在不參與共識、以及不用存儲所有交易數據的情況下，依然能夠對交易進行驗證，從而證明這個交易是否可用。
Celestia
在上面先介紹了什麼是DA，接下來，我們再來看看Celestia 項目是打算如何來解決這個問題的。
Celestia 項目圍繞二維Reed-Solomon 糾刪碼，設計了一套隨機抽樣來驗證數據、以及恢復數據的方案從而確保數據可用。
當一個全節點發現輕節點收到有問題的數據時，會構建一個欺詐證明並發送給這個輕節點，輕節點收到欺詐證明之後，從網絡中通過隨機抽樣的方式，獲得需要的數據，來驗證這個欺詐證明是否有效，從而能夠明確的知道自己之前獲得的數據是否可用。輕節點不需要信任給自己發送數據的節點，也不需要信任給自己發送欺詐證明的節點，這是因為輕節點是通過隨機抽樣的方式，來獲取進行此次驗證所需要的數據，因此安全性能是由整個網絡來提供的。這樣也使得DA 層的安全等級，能夠接近共識層的安全等級。
接下來，我們來了解一下Celestia 具體是如何工作的。由於Celestia 項目還處於開發測試階段，因此這裡採用的都是現階段的白皮書的介紹方案，可能會與實際的解決方案有出入。
準備
欺詐證明的驗證，必須是高效的，並且不需要全部的交易數據，也不需要執行具體的交易，因此Celestia 對於自己區塊的數據，進行了一些擴展。
1. stateRoot
狀態的稀疏默克爾樹的根，這種默克爾樹的葉節點，是一個key-value 對。
定義了一種變量，狀態見證(w)：是一些key-value 對，以及他們在默克爾樹中的證明，組成的集合：
定義了一個函數，rootTransition ：可以通過狀態根、交易、以及這些交易的狀態見證，轉換得到交易執行後的狀態的根。也就是每個交易執行後的狀態的默克爾根stateRoot`可以通過rootTransition(stateRoot, t, w) 得到
2. dataRoot
將交易，以及這些交易執行的中間狀態根，組合成一個固定大小與固定格式的shares 。這些所有的交易的shares ，按照二維RS糾刪碼，進行擴展，最後得到一個默克爾樹的根，即dataRoot。
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具體步驟
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將初始的交易數據，按照shares 的大小與格式進行封裝。
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將shares 放入一個k×k 的矩陣，如果數量不夠，則填充補齊。
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然後應用RS 糾刪碼，按照行和列進行3 次補齊，最終得到一個2k⋅2k 的矩陣。
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對這個矩陣的每一行和每一列，都構建一個默克爾樹，得到2⋅k 個行根和2⋅k 個列根。
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最後將這4⋅k 個根，組成一個默克爾樹，得到根dataRoot。
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shares
shares 是Celestia 項目定義的一個固定大小和格式的數據結構。主要內容是交易，以及執行這些交易的中間狀態根。
由於沒有具體規定多少交易，需要生成對應的中間狀態根，項目方設定了一個Period變量，作為最大限制週期，這個限制可以是最大多少交易之內必須生成中間狀態根，也可以是多少字節，或者多少GAS。
還定義了兩個函數來幫助驗證：
parseShares 函數：輸入shares，得到消息m，可以是中間狀態根，也可能是交易。
parsePeriod 函數：輸入消息，得到前狀態根，執行後狀態根，以及交易列表。
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固定256 字節
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0-80：開始的交易
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81-170：包含的交易
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171-190：中間狀態根
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191-256：下一批開始的交易
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設定的格式舉例
白皮書中，介紹了兩種欺詐證明，下面將分別對此進行介紹：
3. 狀態轉換無效的欺詐證明
這是一個針對stateRoot 的一個欺詐證明。全節點利用dataRoot 中的shares，來幫助輕節點驗證收到的區塊頭中的stateRoot 是否有效。
狀態轉換無效的欺詐證明的組成：
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對應塊的blockhash
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相關的shares
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這些shares 在dataRoot 對應的默克爾樹中的默克爾證明
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這些shares 包含的交易的狀態見證。
證明的驗證：
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驗證blockhash，確定是對於哪個區塊的欺詐證明。
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驗證證明中的每個shares 的默克爾證明是否有效。
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通過shares 的兩個解析函數，可以正確得到對應的交易列表，以及這批交易的執行前狀態根和執行後狀態根。並且如果執行前狀態根為空，則第一個交易一定是塊的第一筆交易；同時如果執行後狀態根為空，則最後一筆交易一定也是塊的最後一筆交易。
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根據rootTransition 函數，來驗證得到的兩個狀態根。
4. 錯誤生成擴展數據的欺詐證明
這是一個針對shares 在網絡傳播時，當一個全節點從網絡中收到shares 恢復的數據，與自己的數據不匹配時，會向網絡回應欺詐證明。
錯誤生成擴展數據的欺詐證明的組成：
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錯誤的shares 所在行或列的默克爾根。
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這個行或列的默克爾根，在dataRoot 對應的默克爾樹中的默克爾證明。
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這足夠恢復這一行或列的shares。 （大於等於k 個）
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每個shares 在dataRoot對應的默克爾樹中的默克爾證明。
證明的驗證：
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驗證blockhash，確定是對於哪個區塊的欺詐證明。
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驗證證明中行或列的默克爾根的默克爾證明是否有效。注：VerifyMerkleProof(行或列的默克爾根，行或列的默克爾根的默克爾證明，dataRoot，長度，位置索引) 其中前面2個數據是證明攜帶的數據，後面3個是本地（之前接收的）數據。
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驗證證明中每個shares 的默克爾證明是否有效。注：VerifyShareMerkleProof（shares，shares 的默克爾證明，dataRoot，長度，位置索引) 其中dataRoot是本地數據，另外數據都是從證明中獲得。
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通過收到的shares，恢復這一行或列的所有數據，並驗證其默克爾根是否等於自己之前收到的對應行或列的默克爾根。
數據可用性
通過2 維RS 糾刪碼，Celestia 的輕節點通過隨機抽樣的方式，來獲取區塊數據，以及驗證欺詐證明的相關數據。同時隨機抽樣的數據，並在網絡中傳播，當達到一定的數量時，也可以幫助網絡恢復區塊數據。下面介紹一下具體的工作流程：
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輕節點從任意一個連接的全節點中獲取一個新區塊的塊頭，以及2k 個行和2k 個列的默克爾根。先用這些默克爾根與區塊頭中的dataRoot 進行初步校驗。如果錯誤則拒絕這個區塊頭。
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在這個2k × 2k 的矩陣中，輕節點隨機挑選一組不重複的坐標，將這些坐標發送給與自己相連的全節點們。
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如果一個全節點擁有這些坐標所對應的所有數據，就會將這個坐標對應的shares，以及shares 的行或列的默克爾證明，回應給輕節點。
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輕節點對於每一個收到的shares，都會驗證其默克爾證明是否有效。注：VerifyMerkleProof（ shares，shares 所在行或列的默克爾證明，對應行或列的默克爾根，長度，坐標位置索引）其中前面2 個數據是證明攜帶的數據，後面3 個是本地（之前接收的）數據。
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如果一個全節點沒有回應某一個坐標的shares，輕節點則會將自己收到的對應的shares、以及它的默克爾證明發送給這個全節點，這個全節點也會將收到的數據轉發給相連的其他全節點。
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如果步驟4 中的驗證都沒有問題，並且步驟2 中抽樣的坐標都有收到回應，同時在一個設定的時間段內沒有收到關於這個區塊的欺詐證明，則輕節點認為這個區塊是數據可用的。
