Wie wird PeerDAS die Datenverfügbarkeit von Ethereum verbessern?

Um eine effiziente Verwaltung und sichere Verifizierung von Daten zu gewährleisten, hat sich Ethereum von DA zu DAS weiterentwickelt und schließlich PeerDAS eingeführt.

Autorin: 0XNATALIE

In der jüngsten Ethereum-Entwicklerkonferenz wurde ein Vorschlag diskutiert, den Pectra Hard Fork von Ethereum in zwei Teile zu teilen. Dieser Vorschlag wurde zuvor abgelehnt, da befürchtet wurde, dass das Upgrade des Verkle-Baums verzögert werden könnte. In der aktuellen Sitzung brachten die Entwickler diese Idee jedoch erneut auf, da sie hoffen, dem Pectra Fork weitere Verbesserungsprotokolle (EIP) hinzuzufügen. Es wird vorgeschlagen, den Hard Fork in zwei Teile zu teilen: Der erste Teil soll alle derzeit auf dem Pectra Devnet 3 vorhandenen EIPs enthalten, während der zweite Teil den EOF (EVM Object Format) und PeerDAS umfassen soll. Um PeerDAS besser zu verstehen, beginnen wir zunächst mit dem grundlegenden Konzept der Datenverfügbarkeit.

DA: Sicherstellung, dass Knoten auf On-Chain-Daten zugreifen können

Datenverfügbarkeit (Data Availability, DA) bedeutet, dass sichergestellt werden muss, dass die von Blockvorschlägern veröffentlichten Blöcke und alle darin enthaltenen Transaktionsdaten für andere Netzwerkteilnehmer effektiv zugänglich und abrufbar sind. Datenverfügbarkeit ist ein entscheidender Faktor für die Sicherheit der Blockchain, denn wenn Daten nicht verfügbar sind, können andere Knoten den Inhalt des Blocks nicht verifizieren, selbst wenn der Block gültig ist. Dies kann zu Konsensproblemen und Netzwerkangriffen führen. Beispielsweise könnte ein Angreifer nur einen Teil der Blockdaten veröffentlichen, sodass andere Knoten die Verifizierung nicht durchführen können.

Wenn ein neuer Block übertragen wird, laden alle beteiligten Knoten die Blockdaten herunter und verifizieren sie. Dieses Modell ist bei kleiner Netzwerkinfrastruktur praktikabel, aber mit dem Wachstum der Blockchain wird die Datenmenge sehr groß, und der Speicherbedarf jedes Knotens steigt, was höhere Hardwareanforderungen mit sich bringt. Um auch Light Nodes (wie Mobilgeräte oder Computer) an der Blockverifizierung zu beteiligen, wurde das Sharding eingeführt.

Sharding teilt das gesamte Blockchain-Netzwerk in mehrere kleine „Shards“ auf. Jeder Shard verarbeitet nur seine eigenen Daten und muss nicht die gesamten Blockchain-Daten verarbeiten. Daher muss ein einzelner Knoten nur die Daten seines eigenen Shards verarbeiten. Da jeder Shard jedoch nur einen Teil der Daten verarbeitet, können Knoten anderer Shards nicht direkt auf vollständige Daten zugreifen. Wie kann also sichergestellt werden, dass die Daten in den Shards verfügbar sind und andere Knoten die Gültigkeit dieser Daten überprüfen können? Zum Beispiel könnte ein Knoten eines Shards einen neu generierten Block veröffentlichen, aber möglicherweise nur einen Teil der Daten bereitstellen. Wenn andere Knoten nicht auf alle Blockdaten zugreifen können, können sie nicht überprüfen, ob der Block echt und gültig ist.

DAS: Überprüfung der Datenverfügbarkeit durch Stichproben

Um das Problem der Datenverfügbarkeit in Shards zu lösen, wurde die Data Availability Sampling (DAS)-Technologie vorgeschlagen. Ihr Kerngedanke ist es, die Datenverfügbarkeit eines Blocks durch Stichproben zu überprüfen, ohne dass jeder Knoten die vollständigen Blockdaten speichern oder herunterladen muss.

Data Availability Sampling ermöglicht es Knoten, nur einen zufälligen Teil der Blockdaten zu beziehen, um die Datenverfügbarkeit zu überprüfen. Wenn ein Knoten diese zufällig ausgewählten Datenfragmente erfolgreich abruft und verifiziert, kann er davon ausgehen, dass die gesamten Blockdaten verfügbar sind.

Um diese Stichprobenüberprüfung zu unterstützen, werden Blockdaten in der Regel mit RS-Codierung versehen. Diese Codierung ermöglicht es, auch bei Verlust eines Teils der Daten die vollständigen Daten wiederherzustellen. Selbst wenn ein Knoten nur einen Teil der Blockdaten herunterlädt, kann er die Gültigkeit der gesamten Blockdaten ableiten und bestätigen. Durch DAS wird die zu verarbeitende Datenmenge pro Knoten reduziert, sodass auch Light Nodes an der Blockverifizierung teilnehmen können.

DA-Layer wie Celestia setzen diese Technologien ein. Im Wesentlichen geht es um RS encoding + validity proof + DAS.

• RS-Codierung (Reed-Solomon Encoding): Diese Codierung ermöglicht es Knoten, die nur einen Teil der Datenfragmente erhalten haben, den gesamten Datenblock wiederherzustellen. Sie ähnelt einem Fehlerkorrekturcode und bietet eine gewisse Fehlertoleranz, sodass auch bei Verlust eines Teils der Daten die verbleibenden Fragmente ausreichen, um die vollständigen Daten zu rekonstruieren.
• Validity Proof (Gültigkeitsnachweis): Mithilfe von Zero-Knowledge-Proofs wird sichergestellt, dass bei der Codierung und Übertragung der Daten keine Fehler auftreten. Wenn die Verifizierung erfolgreich ist, können die vollständigen Daten fehlerfrei dekodiert werden.
• DAS (Data Availability Sampling): Light Nodes führen zufällige Stichproben von RS-codierten Fragmenten eines Blocks durch, um deren Verfügbarkeit zu überprüfen und daraus zu schließen, dass der gesamte Datenblock verfügbar ist.

PeerDAS: Zusammenarbeit zwischen Knoten zur Datenverifizierung

PeerDAS ist eine konkrete Implementierung von DAS, bei der die Datenverfügbarkeitsstichproben über ein Peer-to-Peer-Netzwerk durchgeführt werden. Ein Peer-to-Peer-Netzwerk besteht aus mehreren Knoten, die direkt miteinander kommunizieren. Bei DAS überprüft jeder Knoten die Datenverfügbarkeit unabhängig durch Stichproben, während PeerDAS diesen Prozess optimiert, indem die Knoten zusammenarbeiten, um Daten im Block gemeinsam zu teilen und zu verifizieren, was die Effizienz der Verifizierung weiter erhöht. Die Knoten sind nicht isoliert, sondern können Aufgaben und Ergebnisse der Datenverifizierung teilen und sich auf bereits von anderen Knoten verifizierte Daten verlassen. Dadurch muss ein Knoten nicht alle Verifizierungsaufgaben allein übernehmen, sondern kann diese durch Zusammenarbeit aufteilen, was die Belastung der einzelnen Knoten weiter reduziert. Die kooperative Verifizierung erschwert zudem Datenmanipulationen, da ein Angreifer mehrere Verifizierungsknoten gleichzeitig beeinflussen müsste, um Daten erfolgreich zu manipulieren.

Derzeit hat laut der jüngsten Ethereum-Konferenz zu PeerDAS das Lighthouse-Team des Ethereum-Clients den DAS-Branch bereits in den Main Branch integriert und testet derzeit die Kompatibilität mit PeerDAS. Ein Branch wird in der Regel verwendet, um neue Funktionen oder Verbesserungen unabhängig zu entwickeln und zu testen. Die Integration in den Main Branch bedeutet, dass diese Funktion oder Verbesserung fertiggestellt und als stabil angesehen wird, sodass sie in den Kerncode übernommen werden kann.