“数据可得性（data availability）”和“数据可得性问题”指的是一些区块链扩容方案所面临一个问题。具体来说，就是当新的区块创建时，节点如何确保该区块中的所有数据都已发布到 *** 上？困难之处在于，如果区块生产者没有公布区块中的所有数据，就没人能发现该区块中是否隐藏了恶意交易。

在本文中，我将深入探讨数据可得性问题的重要性，以及相关解决方案。

区块链上的每个区块都由两部分组成：

• 区块头，即，区块的元数据，由一些关于区块内容的基本信息组成，包括交易的默克尔根。
• 交易数据，即，区块的主要组成部分，由实际的交易数据组成。

区块链 *** 中主要有两类节点：

• 全节点（又称完全验证节点）。这类节点会下载区块链中的每笔交易并验证其有效性。这需要消耗大量资源和数百 GB 的磁盘空间，但是这些节点的安全性更高，因为它们不会接受包含无效交易的区块。
• 轻客户端。如果你的计算机没有足够的资源来运行全节点，你可以运行轻客户端。轻客户端不需要下载或验证任何交易。它们只下载区块头，并认定区块中包含的交易都是有效的。因此，轻客户端的安全性低于全节点。

幸运的是，有一种 *** 可以让轻客户端间接检查区块中的所有交易是否有效。轻客户端可以依赖全节点向其发送关于无效交易的 欺诈证明，无需自己检查交易的有效性。欺诈证明是一个很小的证明，可以证明区块中的某个交易是无效的。关于欺诈证明的运作原理，本文不做具体介绍，请阅读这篇文章。

这里只有一个问题：全节点如果要为某个区块生成欺诈证明，需要知道该区块的交易数据。如果区块生产者只公布区块头，没有公布交易数据的话，全节点就无法验证交易的有效性，并针对无效交易生成欺诈证明了。这就要求区块生产者公布区块的所有数据，但是我们需要找到一种 *** 来强制实行。

为了解决这个问题，轻客户端需要找到某种 *** 来检查区块的交易数据是否真的发布到了 *** 上，以便全节点进行验证。然而，我们又要避免让轻客户端下载整个区块，因为这会使得轻客户端丧失存在的意义。

我们该如何解决这一问题？首先，我们先来讨论数据可得性问题的相关性，以及如何采取解决措施。

在上一节中，我们介绍了数据可得性问题。让我们来讨论一下它对可扩展性解决方案的重要性。

增加区块大小

在比特币等区块链中，绝大部分一般的手提电脑都能运行全节点并验证整条链，因为存在人为规定的区块大小上限，来防止区块链变得过大。

但是，如果我们想要增加区块大小上限该怎么办？那就只有更人才能负担得起运行全节点并独立验证区块链的成本，大多数人都会运行安全性更低的轻客户端。这并不利于去中心化，因为这会让区块生产者更容易更改协议规则，插入无效交易来欺骗轻客户端。因此，为轻客户端提供欺诈证明支持很重要，但是正如我们已经讨论过的，轻客户端需要一种 *** 来验证区块中的所有数据是否都已发布至 *** 。

分片

提高区块链吞吐量的一种 *** 是，将区块链分成多条链，即，分片。这些分片都有自己的区块生产者，而且可以相互通信，以便在分片之间转移代币。分片的意义在于，将 *** 中的区块生产者分组，这样就不需要每个区块生产者处理每个交易，只需将他们分散到不同的分片上即可。每个分片只需处理部分交易。

通常来说，在分片式区块链上，验证者只需要为一个或少数几个分片运行全节点，并为其它分片运行轻客户端。毕竟，如果每个验证者都要为每个分片运行一个全节点，就无法实现分片的目的 —— 将 *** 的开销分割给不同节点。

然而，这种 *** 本身存在缺陷。如果分片上的区块生产者作恶，开始接受无效交易怎么办？相比非分片式系统，分片式系统更有可能发生这种情况，因为后者的每个分片上只有少量区块生产者，攻击起来更容易。请记住，区块生产者会被不断分配到不同的分片上。

为便于察觉是否存在分片接受无效交易的情况，我们必须确保分片中的所有数据都是公开可得的，以便使用欺诈证明来证明所有无效交易。

Rollup

Optimistic rollup 是一种基于 rollup 侧链（类似分片）的新型可扩展性策略。这些侧链有自己专属的区块生产者，可与其它侧链互相转移资产。

但是，如果有恶意的区块生产者将无效交易打包进区块，将侧链上所有用户的资金盗走怎么办？为解决这一问题，我们可以使用欺诈证明来发现这种情况。但是，还是那个老问题，侧链用户需要找到某种 *** 来确保侧链上所有区块的数据都公开可见，以便发现无效交易。为了解决这一问题，以太坊上的 Rollup 将所有 rollup 区块都发布到以太坊区块链上，依赖以太坊来实现数据可得性。也就是说，将以太坊作为数据可得性层。

ZK-rollup 与 optimistic rollup 类似。区别在于，前者并非使用欺诈证明来发现无效区块，而是使用有效性证明来证明区块的有效性。有效性证明本身不需要数据可得性。然而，总的来说，ZK-rollup 需要数据可得性，因为如果区块生产者创建了一个有效区块，并为其生成有效性证明，却没有公布区块数据，用户就无法知道区块链的状态以及他们的余额，也就无法与区块链进行交互。

进一步探索

rollup 的设计旨在将区块链作为数据可得性层来存储交易，但是实际的交易处理和计算都发生在 rollup 上。这是一种很有趣的思路：区块链实际上不需要进行任何计算，但是至少需要将交易分装到区块中，并确保交易的数据可得性。

这也是 LazyLedger 的设计思路，即，一种“懒惰的”区块链，只需要完成区块链的两个核心任务 —— 通过可扩展方式对交易进行排序，并实现交易的数据可得性。这使得 LazyLedger 成为 rollup 等系统中的最小“可拔插”组件。

下载所有数据

正如上文所讨论的那样，解决数据可得性问题的最直接 *** 就是，要求所有人（包括轻客户端）下载所有数据。显然，这种 *** 不具备良好的可扩展性。比特币和以太坊等大多数区块链均采用这种 *** 。

数据可得性证明

数据可得性证明是一种新技术：客户端只需下载区块中的一小部分数据，即可检查该区块中所有数据是否均已发布。

数据可得性证明采用了一种被称为纠删码的数学元件。纠删码被广泛应用到了从 CD-ROM 到卫星通信再到二维码等信息技术中。纠删码可以将原本 1 MB 的区块数据扩充成 2MB，其中多出的 1 MB 就是叫做纠删码的特殊数据。如果区块中的任何字节丢失，纠删码都可以帮你找回它们。即使整个区块的数据丢失， 纠删码也可以帮你找回所有数据。同样地，有了纠删码，即使 CD-ROM 中的数据都被擦除，你的计算机也可以读取到（译者注：纠删码并不能帮你节约带宽，假设 1MB 的数据被扩充成了 2 MB，你仍然需要获得至少 1MB 的数据才能恢复出原始数据，虽然并不要求这 1 MB 的数据是连续的）。

这就意味着，要实现 100% 的数据可得性，区块生产者只需将区块中 50% 的数据发布到 *** 上。 如果恶意区块生产者想要成功隐瞒 1% 的数据，就必须隐瞒超过 50% 的数据，否则这 1% 的数据可以通过剩下 50% 的数据找回（译者注：此段之一句存疑）。

有了这个知识，客户端就能采取措施来确保区块中的数据不会被隐藏。客户端可以尝试随机下载区块切分而成的数据块，如果他们未能成功下载数据块（即表明，该数据块属于恶意区块生产者未公开的那 50% 的数据），它们就会拒绝承认该区块的数据可得性。如果下载一个随机数据块，客户端就有 50% 的概率发现无效区块。如果下载两个数据块，就有 75% 的概率。如果下载三个数据块，就有 87.5% 的概率。以此类推，直到下载七个数据块之后，就有 99% 的概率。通过这种方式，客户端只需下载区块中的一小部分数据，即可有效检查整个区块的数据可得性。

数据可得性证明的全部细节会更复杂一些，而且依赖于其它假设，例如， *** 中的轻客户端数量不能低于某个下限，这样就有足够多的轻客户端请求数据块，以便恢复整个区块的数据。如果你想了解更多信息，可以查看关于数据可用性证明的论文。

结论

在本文中，我们介绍了数据可用性问题，讨论了数据可用性对区块链可扩展性的重要性，并提出了解决方案。

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