以太坊2.0轻节点上的数据可用性

Fishermen

T2:攻击者v2发出无效的诈欺证明

如果渔夫打了个盹，没注意到T2 发生什么事，到了T3 才来验证，在这样的状况下是无法判断出两个的差异（因为T3 所能看见的就是”一份完整的资料”被提出”诈欺证明”，不知道其实case1 是后来补件的）。以上例来说，case1的v2 要给奖励吗？1.若给了，则攻击者就可以藉由发出无效的诈欺证明来赚钱（因为两着是无法分辨的）。2.若要惩罚，那就没有人愿意提出诈欺证明。3.若什么事都不做，则提供了一个免费的DOS 攻击。因此，这种方式有个根本的问题，就是无法有效遏止攻击者隐藏资料（因为被发现了，再补件即可），也就无法判断节点或是渔夫谁是恶意的。

Reed-Solomon Erasure Code

延续上面的问题，若把区块切成N 个区段（chunks），而轻节点从网路中随机去挑选某20 个区段来验证是否正确(藉由block header 中的merkle root 来验证) ，当20 个区段都是有正确的，轻节点就接受此块，这个方法有很高的机率可以证明资料是有效的，但这种方式只验证到部分的资料，并不是整个区块，若攻击者伪造的区块只有极少的差距，例如有几十或几百的bytes，仍有机会避过这样的验证机制。而erasure code (纠删码)是可以解决这个问题的好方法！

何谓纠删码呢 ! 纠删码可以在资料部分遗失的状况下，组回原本的资料(但无法容忍资料的篡改)，常用在网路通讯, 磁碟阵列或是DVD。可以想作是在原本的资料，再多加部份的备份，所以丢掉部分资料也没关系。纠删码编码方式有很多种，也分别适用不同领域，这边使用的RS(Reed-Solomon) 纠删码，是一种原理相较简单的编码方式。概念上就是用Lagrange 插值方式，长出多余的备份资料。

假设，把区块分成M个区段，藉由RS纠删码把资料延伸为N个区段(N > M)，因此只要N个中的M个就可以把资料还原，所以若有节点不提供资料或是部分资料遗失了，仍可还原区块做验证。

这边做一个简单的计算，先假设最简单的状况M=N，区块大小1MB，每256bytes切成一个区段，所以可得4096(M=4096)个区段，然后，将全部区段组成一个merkle tree（会有12层）。接着，随机取20个区段来验证，资料量将是
20 branches * (256 bytes + 12 Merkle tree intermediate hashes * 32 bytes per hash) = 12,800 bytes
而诈欺证明的大小约是1.5MB

如果将资料延伸到多维度，例如二维。资料将变为sqrt(M)*sqrt(M) 的正方形（x = 0 ~ sqrt(M)-1, y = 0 ~ sqrt(M)-1），接着使用二维RS 纠删码将资料延伸一倍，可得Ｎ = 2*sqrt(M)，如下：

而merkle tree 的数量从原本的一个变成4*sqrt(M) 个（每个栏列皆为一个merkle tree，如下图所示）

接着，回到上面的例子，1MB的区块，每256bytes为一个区段，所以可以得到64x64的正方形，共有4*64个merkle tree，但是取样数就需要有48个，因此资料量为：

48 branches * (256 bytes + 6 Merkle tree intermediate hashes * 32 bytes per hash)+ (128 Merkle roots * 32 bytes per hash) = 25,600 bytes
而诈欺证明的大小约为12KB

这里我们看到，资料量虽然变大了，但是诈欺证明的资料大幅减少了，而且因为merkle tree 的层数减少许多，在效能上也有大幅的提升。下图是论文中对于取样数, 区段数量跟轻节点数的表格（s : 取样数，k : sqrt(M)），有兴趣可以看论文中的公式推导。

但若在一般的网路模式下，会知道自己的邻居们(peer nodes)是谁，所以对攻击者来说，就有空间操控，某个轻节点来问资料就故意不给，或是有时给有时不给等等的扰乱轻节点取得资料的稳定性。因此会需要搭配洋葱网路服用，攻击者就无法针对特定的轻节点作扰乱。再加上诈欺证明的挑战，在整个设计中只需要保证网路中有一个诚实节点即可。

而全节点跟轻节点的沟通程序如下图：

1. 有新区块产生，轻节点会收到某个全节点的通知，并且提供block header跟上述的每个栏/列的merkle root
2. 轻节点会随机挑选(x, y) 值给不同的全节点（x,y 分别对应二维纠删码的列跟栏）
3. 全节点接收到(x, y) 座标后，提供对应的区段，并注明此资料区块是栏还是列（因为同一个座标可以取栏或是列的资料），若此全节点没资料，就继续广播给其他全节点
4. 轻节点接受到资料后，验证区块的merkle root 和1.所提供的是否一致，若为一致，则标记为正确的资料，并等待挑战（诈欺证明）

这是目前Ethereum 2.0 轻节点的提案，#1194是针对资料可得性证明效率不足的讨论，主要的问题在于，二维的纠删码让处理的资料量变大，也增加网路传输的负荷，再加上EIP1559，将使得区块平均的负载量约只有50％，也就意味着需要填很多的0，让二维纠删码徒增很多无意义的数据，这也是目前尚未解决的问题。

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编译者/作者：不详

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