Was ist das „Datenverfügbarkeitsproblem“ und warum stellt es eine Herausforderung für die Skalierung dar?

Das Problem der Datenverfügbarkeit in Blockchain verstehen

1. Das Problem der Datenverfügbarkeit bezieht sich auf die Herausforderung, sicherzustellen, dass alle Teilnehmer eines Blockchain-Netzwerks auf die vollständigen Transaktionsdaten für jeden Block zugreifen und diese überprüfen können. In dezentralen Systemen, insbesondere solchen, die einen hohen Durchsatz anstreben, speichert oder lädt nicht jeder Knoten vollständige Blockdaten herunter. Dies birgt die Gefahr, dass böswillige Akteure Blöcke mit fehlenden oder versteckten Transaktionen erzeugen und so Vertrauen und Sicherheit untergraben.

2. Wenn Blöcke ohne vollständige Daten veröffentlicht werden, können Knoten nicht überprüfen, ob Transaktionen legitim sind oder ob es zu Doppelausgabeversuchen kommt. Light-Clients, die auf Zusammenfassungen wie Blockheader oder Proofs angewiesen sind, sind besonders anfällig, da sie nicht ganze Blöcke herunterladen. Sie müssen davon ausgehen, dass Daten verfügbar sind, obwohl sie diese nicht direkt überprüfen können.

3. Dieses Problem wird mit zunehmender Größe der Blockchains immer deutlicher. Lösungen wie Rollups zielen darauf ab, Tausende von Transaktionen außerhalb der Kette zu verarbeiten und nur komprimierte Daten an die Hauptkette zu übermitteln. Sofern jedoch keine Garantie dafür besteht, dass diese komprimierten Daten öffentlich zugänglich sind, bleibt das System unsicher. Werden Daten zurückgehalten, können Nutzer weder den Zustand rekonstruieren noch einen Betrug erkennen.

4. Die Sicherstellung der Datenverfügbarkeit ist für die Aufrechterhaltung der Konsensintegrität von entscheidender Bedeutung. Ohne sie wird die Grundlage einer vertrauenswürdigen Verifizierung untergraben. Knoten können Sperren aufgrund unvollständiger Informationen akzeptieren und so Angriffen wie ungültigen Zustandsübergängen oder stillem Diebstahl von Geldern durch verdeckte betrügerische Aktivitäten Tür und Tor öffnen.

Warum Skalierung das Problem verschärft

1. Mit dem Wachstum von Blockchain-Netzwerken nimmt das Volumen der Transaktionsdaten erheblich zu. Ketten mit hohem Durchsatz erzeugen große Blöcke, sodass es für durchschnittliche Benutzer oder leichte Geräte unpraktisch ist, alle Daten herunterzuladen und zu speichern. Dies führt zu einem Zentralisierungsdruck, bei dem nur gut ausgestattete Einheiten vollständige Knoten betreiben können, was die Dezentralisierung schwächt.

2. Layer-2-Skalierungslösungen wie optimistische Rollups sind auf die Datenverfügbarkeit angewiesen, um Betrugsnachweise zu ermöglichen. Wenn Sequenzierer Transaktionsergebnisse veröffentlichen, aber Eingabedaten zurückhalten, können Herausforderer kein Fehlverhalten nachweisen. Dies macht den Betrugserkennungsmechanismus unwirksam und gefährdet die Gelder der Benutzer.

3. Sharding-Architekturen teilen das Netzwerk in parallele Ketten auf, von denen jede ihre eigenen Transaktionen verarbeitet. Damit die Shard-übergreifende Kommunikation sicher funktioniert, müssen Knoten in einem Shard in der Lage sein, Daten von einem anderen Shard zu überprüfen. Ohne garantierte Verfügbarkeit werden Transaktionen zwischen Shards unzuverlässig und anfällig für Manipulationen.

4. Eine Erhöhung der Blockgröße, um mehr Transaktionen zu ermöglichen, erhöht den Bandbreitenbedarf. Selbst wenn Miner oder Validatoren Zugriff auf die vollständigen Daten haben, ist dies für normale Benutzer möglicherweise nicht der Fall. Diese Ungleichheit untergräbt das Prinzip der erlaubnislosen Verifizierung, einen Kerngrundsatz der Blockchain-Technologie.

Innovative Ansätze zur Sicherstellung der Datenverfügbarkeit

1. Data Availability Sampling (DAS) ermöglicht es Light-Clients, probabilistisch zu überprüfen, ob Blockdaten veröffentlicht wurden, indem sie zufällige Blöcke vom Netzwerk anfordern. Mittels Erasure Coding werden Blöcke um redundante Teile erweitert, sodass auch bei fehlenden Teilen die Originaldaten noch rekonstruiert werden können. Kunden, die nur kleine Teile herunterladen, können ein hohes Maß an Sicherheit gewinnen, dass die vollständigen Daten verfügbar sind.

2. Modulare Blockchains trennen die Ausführung von den Konsens- und Datenverfügbarkeitsschichten. Systeme wie Celestia sind auf die Veröffentlichung und Sicherung von Daten spezialisiert und ermöglichen es Ausführungsumgebungen wie Rollups, Verfügbarkeitsgarantien zu erben, ohne sich selbst um die Speicherung zu kümmern. Diese Spezialisierung verbessert die Skalierbarkeit bei gleichzeitiger Wahrung der Sicherheit.

p>3. Rollup-Protokolle schreiben jetzt die Veröffentlichung von Anrufdaten auf Layer-1-Ketten wie Ethereum vor. Indem Sequenzer gezwungen werden, Transaktionseingaben in der Kette zu veröffentlichen, behalten Benutzer die Möglichkeit, Zustände neu zu berechnen und Diskrepanzen zu erkennen, auch wenn die Ausführung außerhalb der Kette erfolgt. Dieser Ansatz gleicht Leistungssteigerungen mit Überprüfbarkeit aus.

4. Peer-to-Peer-Netzwerke werden optimiert, um Daten schneller und effizienter zu verbreiten. Techniken wie Kademlia-basiertes Routing und proaktive Replikation tragen dazu bei, dass sich Daten nach der Veröffentlichung schnell im Netzwerk verbreiten und so das Zeitfenster verkürzen, in dem Angriffe erfolgreich abgewehrt werden könnten.

Häufig gestellte Fragen

Was passiert, wenn in einem optimistischen Rollup keine Daten verfügbar sind? Wenn ein Rollup-Sequenzer eine Statusaktualisierung übermittelt, aber die zugrunde liegenden Transaktionsdaten nicht veröffentlicht, können Benutzer keine Betrugsnachweise generieren. Dies bedeutet, dass fehlerhafte Zustände unangefochten bleiben können, was möglicherweise zu einem Fondsverlust führen kann. Durch die Verfügbarkeit wird sichergestellt, dass jeder als Prüfer fungieren kann.

Wie hilft Erasure Coding bei der Lösung der Datenverfügbarkeit? Durch die Erasure-Codierung wird ein Block in einen größeren Satz codierter Fragmente umgewandelt, wobei nur eine Teilmenge erforderlich ist, um die Originaldaten wiederherzustellen. Selbst wenn einige Fragmente fehlen, kann der vollständige Block dennoch abgerufen werden, was eine statistische Überprüfung durch Stichproben ermöglicht.

Können Zero-Knowledge-Beweise die Notwendigkeit einer Datenverfügbarkeit überflüssig machen? Während zk-Rollups Gültigkeitsnachweise verwenden, die die Korrektheit kryptografisch garantieren, erfordern sie dennoch eine Form der Datenveröffentlichung für Kontostände und Statuswurzeln. Vollständig auf den Datenschutz ausgerichtete Systeme können Eingaben verbergen, aber kritische Zustandsunterschiedsdaten müssen verfügbar bleiben, um Zensur zu verhindern und eine Synchronisierung zu ermöglichen.