Modulares Blockchain-Paradigma

In der Physik bezeichnet Kopplung das Phänomen, dass sich zwei Bewegungsformen durch Wechselwirkung gegenseitig beeinflussen. Entkopplung hingegen bezeichnet die mathematische Trennung zweier Bewegungsformen zur Lösung des Problems.

Im Bereich der Programmierung ist die Idee der Modularität sehr ähnlich: Eine Softwaredesigntechnik namens modulare Programmierung betont die Aufteilung der Funktionalität eines Programms in unabhängige, austauschbare Module, sodass jedes alles enthält, was zur Ausführung nur eines Aspekts der gewünschten Funktionalität erforderlich ist.

Blockchains sind auch Computerprogramme. Wenn wir die Idee der Modularität auf eine öffentliche Blockchain anwenden, können wir sie grundsätzlich in drei Kernkomponenten zerlegen:

  1. Ausführung: Dies ist die Berechnung, die zum Aktualisieren der Kette erforderlich ist. Dazu gehört das Abrufen des aktuellen Status, das Hinzufügen einer Reihe neuer Transaktionen und der Übergang zum neuen Status.

  2. Konsens oder Regelung oder Sicherheit – Dies bietet Sicherheit und Übereinstimmung für Transaktionen und deren Anordnung.

  3. Datenverfügbarkeit (DA) – Damit wird sichergestellt, dass die Transaktionsdaten hinter dem Blockheader veröffentlicht und verfügbar sind, sodass jeder den Status einfach berechnen und die Statusübergänge überprüfen kann.

Anstatt alle drei Komponenten in einer monolithischen Kette zusammenzuführen, wie es bei den aktuellen großen Blockchains der Fall ist, können wir sie in spezialisierte Ketten oder Schichten aufteilen, von denen jede die Rolle eines Moduls spielt, um die Funktionalität einer Blockchain effizienter zu implementieren. Dies ist das Paradigma der modularen Blockchain.

Die Vorteile modularer Blockchains

Wie bereits erwähnt, sind modulare Blockchains das Ergebnis der Trennung der Kernkomponenten einer einzelnen Blockchain und deren Ausführung auf separaten Ebenen. Was sind also die Vorteile modularer Blockchains gegenüber nicht modularen? Im Folgenden sind die Vorteile aufgeführt.

Skalierbarkeit

Schichten, die sich auf ein Paar von Kernfunktionen spezialisieren, ermöglichen eine viel größere Skalierbarkeit, ohne dass Kompromisse eingegangen werden müssen, die eine monolithische Blockchain mit sich bringt. Beispielsweise kann eine modulare Datenverfügbarkeitsschicht mit DA-Sampling linear mit der Anzahl der Benutzer skaliert werden.

Interoperabilität

Blockchains können eine modulare gemeinsame Sicherheitsschicht verwenden, um vertrauensminimiertes Überbrücken zwischen Blockchains im selben Cluster zu ermöglichen. Dies verbessert sowohl die Sicherheit als auch das Niveau, auf dem mehrere Blockchains miteinander kommunizieren können.

Bootstrapping

Neue Blockchains können mit minimalem Kosten- und Zeitaufwand erstellt werden. Dinge wie Rollup Software Development Kits unterstützen dies nicht nur, sondern bieten auch eine Möglichkeit zum Bootstrapping, ohne dass ein Konsensmechanismus, Validatoren oder Token-Verteilungsmechanismen erforderlich sind.

Experimentieren

Blockchains können einfach erstellt und zum Testen neuer innovativer Technologien verwendet werden, die weitere Skalierbarkeit und Optimierung für den gesamten Chain-Stack bringen. Auf diese Weise können sich neue Chains direkt auf die Elemente konzentrieren, bei denen sie Innovationen entwickeln möchten, die dann auf den Rest der Chains ausgeweitet werden können.

Die DA-Schicht in Rollups

Rollups, die Layer-2-Lösung von Ethereum, die auf effektive Skalierung abzielt, ist im Grunde ebenfalls ein modularer Ansatz. Das Rollup entfernt die Ausführungsebene aus Ethereum-Ebene 1 und bildet eine zweite Ebene, die ausschließlich der Ausführung dient und sich darauf konzentriert, Transaktionen so schnell wie möglich zu verarbeiten. Auf der anderen Seite ist Ethereum-Ebene 1 immer noch für die anspruchsvolle Arbeit der Sicherheit und Datenverfügbarkeit verantwortlich.

Hier stellen sich also zwei Fragen. Erstens: Warum ist Datenverfügbarkeit so wichtig? Zweitens: Können wir die Idee der Modularität erneut nutzen, um DA von Schicht 1 zu entkoppeln? Lassen Sie mich das bitte kurz erklären.

Für die erste Frage muss ich die Situation gesondert besprechen. Im Fall von Optimistic Rollup kann jeder, wenn der Sequenzer Böses tut und einen falschen Kontostand festlegt, die ursprünglichen Transaktionsdaten von Schicht 1 abrufen und den korrekten Kontostand rekonstruieren, um eine Anfechtung durchzuführen. Die Rolle von DA ist also die eines Archivbüros, das im Falle einer Anfechtung Originalbeweise liefert und sicherstellt, dass die Anfechtung korrekt und gültig ist.

Was Zero Knowledge (ZK) Rollup betrifft, kann der Sequenzer aufgrund des kryptografischen Beweises von Zero Knowledge nichts Böses anrichten. Aber in Extremfällen, in denen der Sequenzer ausfällt oder aus irgendeinem Grund nicht verfügbar ist, müssen Benutzer die Layer-2-Kette verlassen und ihr Geld an Layer 1 zurückgeben, wobei DA unerlässlich ist, um sicherzustellen, dass jeder den endgültigen Status anhand der Daten rekonstruieren kann. Daher ist die Rolle von DA wie eine Sicherheitstür, um Benutzern im Falle einer Extremsituation einen reibungslosen Ausweg zu gewährleisten.

Die kurze Antwort auf die zweite Frage lautet: Ja. Obwohl DA so wichtig ist, dass der beste Ort, um es zu speichern, Ethereum-Schicht 1 ist, ist die sicherste Kette auch die teuerste – die Gaskosten für Abwicklungstransaktionen und Datenspeicherung sind viel höher als bei jeder anderen Kette. Aus diesem Grund bieten sowohl Matter Labs als auch Starkware den Benutzern eine günstige Version von ZK Rollup an, nämlich ZK-Porter und Validium, wobei sie den Kompromiss eingehen, DA nicht auf Schicht 1 zu speichern.

Als Ergebnis kommt allmählich eine spezialisierte und modulare DA-Schicht ins Spiel.

Projekte der spezialisierten DA-Schicht

Celestia

Celestia, früher LazyLedger genannt, ist ein modulares Konsens- und Datennetzwerk, das es jedem ermöglicht, mit minimalem Aufwand ganz einfach seine eigene Blockchain zu implementieren. Durch die Entkopplung der Konsens- und DA-Ebenen von der Anwendungsausführung modularisiert Celestia den Blockchain-Technologie-Stack und eröffnet neue Möglichkeiten für dezentrale Anwendungsentwickler.

Mit der modularen Architektur von Celestia können Entwickler mühelos ihre eigenen virtuellen Ausführungsumgebungen definieren. Jede Anwendung erhält ihren eigenen souveränen Ausführungsraum und kann ohne Hard Forks in der Hauptkette aktualisiert werden.

Celestias größtes Highlight ist die Lösung einer der grundlegenden Einschränkungen der Blockchain-Skalierung – das „Datenverfügbarkeitsproblem“. Dieses Problem lautet: Wie können Knoten sicher sein, dass bei der Erstellung eines neuen Blocks alle Daten in diesem Block tatsächlich im Netzwerk veröffentlicht wurden? Das Dilemma besteht darin, dass, wenn ein Sequenzer oder Blockproduzent nicht alle Daten in einem Block freigibt, niemand erkennen kann, ob in diesem Block eine böswillige Transaktion verborgen ist.

Wie löst Celestia dieses Problem? Es verwendet Löschcodes, um Datenverfügbarkeitsnachweise zu erstellen, die mit hoher Wahrscheinlichkeit garantieren, dass alle Daten in der Blockchain veröffentlicht wurden.

Insbesondere verwendet Celestia ein zweidimensionales Reed-Solomon-Kodierungsschema, um Blockdaten zu kodieren, wenn der Sequenzer einen neuen Block erstellt. Dieses Schema stellt sicher, dass nur eine kleine Datenprobe ausreicht, um mit statistischer Sicherheit zu überprüfen, ob der gesamte Block veröffentlicht wurde. Nur Light-Clients werden benötigt, um eine Operation namens Data Availability Sampling (DAS) durchzuführen – das zufällige Herunterladen eines kleinen Datenstücks aus dem Block, um festzustellen, ob der Sequenzer sich falsch verhält und Daten zurückhält. Diese Methode ist im Hinblick auf die Wahrscheinlichkeitsstatistik sehr effektiv. Tatsächlich würde die Wahrscheinlichkeit, dass ein Light-Client nicht erkennt, dass sich der Sequenzer falsch verhält, beim siebten Mal, wenn er versucht, einen Datenblock zufällig zu überprüfen, auf weniger als 1 % sinken. Und sobald festgestellt wird, dass ein kleines Datenstück falsch kodiert ist, wird das Netzwerk über einen Betrugsnachweis benachrichtigt. Dadurch wird sichergestellt, dass der Durchsatz nicht wie bei herkömmlichen Blockchains durch die Ausführung von Zuständen ausgebremst wird, sodass der Durchsatz von Celestia mit der Anzahl der beteiligten Benutzer skaliert werden kann.

Celestia konzentriert sich zunächst auf das EVM- und Cosmos-SDK, schließt aber eine Integration in die Ökosysteme von Ethereum und Cosmos nicht aus. Celestia hat einen Plan namens Celestium veröffentlicht, der es jeder Ethereum-L2-Kette ermöglicht, Celestia für die Datenverfügbarkeit und Ethereum für Abrechnung und Streitbeilegung zu verwenden. Celestiums wird eine Datenverfügbarkeit mit hohem Durchsatz für Ethereum-L2s bieten, mit einem höheren Maß an Sicherheit als andere Off-Chain-Datenverfügbarkeitstechniken.

Darüber hinaus arbeitet Celestia mit Evmos zusammen, um eine Abwicklungsschicht für EVM-Rollups namens Cevmos zu entwickeln. Die Abwicklungskette wird als Celestia-Rollup mit Optimint implementiert und nutzt Celestia als DA-Schicht, um einen vollständig EVM-äquivalenten Stack bereitzustellen, der ausschließlich für Rollups optimiert ist, was zu niedrigeren Gebühren und einer besseren Skalierung bei Rollups führt.

Polygon verfügbar

Avail, eine der Skalierungslösungen im Toolkit von Polygon, ist eine universelle, skalierbare, auf Datenverfügbarkeit ausgerichtete Blockchain, die auf Standalone-Ketten, Side-Chains und Off-Chain-Skalierungslösungen ausgerichtet ist.

Avail bietet eine robuste Datenverfügbarkeitsschicht durch die Verwendung eines äußerst sicheren mathematischen Grundelements – Datenverfügbarkeitsprüfungen mithilfe von Löschcodes mit einer wichtigen Innovation – das Unternehmen verwendet Kate-Polynom-Commitments, um ein 2D-Datenverfügbarkeitsschema zu erstellen, das Betrugsnachweise vermeidet, keine ehrlichen Mehrheitsannahmen erfordert und nicht auf ehrliche Full-Node-Peers angewiesen ist, um Vertrauen in die Verfügbarkeit der Daten zu gewinnen.

Avails Ansatz zur Lösung des Datenverfügbarkeitsproblems ähnelt Celestias DAS, unterscheidet sich jedoch nur in kleinen Punkten. Avail verwendet KZG-Polynom-Commitments anstelle von Betrugsnachweisen, um Fehlverhalten von Sequenzern zu vermeiden. KZG-Commitments, auch bekannt als Kate-Commitments, wurden 2010 von Aniket Kate, Gregory M. Zaverucha und Ian Goldberg eingeführt und bieten eine Möglichkeit, auf prägnante Weise auf Polynome zu committen.

Vereinfacht ausgedrückt sind alle Daten in einem Block als zweidimensionale Matrix angeordnet. Die Datenredundanz wird durch Erasure Coding jeder Spalte der Matrix erreicht, um die Größe der ursprünglichen Spalte zu verdoppeln. Kate-Commitments werden verwendet, um sich auf jede der Zeilen festzulegen, und das Commitment ist im Blockheader enthalten. Das Schema macht es einfach, einen Versuch zum Verbergen von Daten zu erkennen, da jeder Light-Client mit Zugriff nur auf Blockheader zufällige Zellen der Matrix abfragen und kurze Beweise erhalten kann, die mit den Blockheadern verglichen werden können. Die Datenredundanz zwingt den Sequenzer, einen großen Teil des Blocks zu verbergen, selbst wenn er nur eine einzige Transaktion verbergen möchte, wodurch er anfällig dafür wird, bei zufälligen Stichproben erwischt zu werden. Dadurch wird die Notwendigkeit von Betrugsnachweisen vermieden, da die bindende Natur der Kate-Commitments es für Sequenzer rechnerisch sehr unmöglich macht, falsche Commitments zu konstruieren und nicht erwischt zu werden.

Zusammenfassung

Die spezialisierte Datenverfügbarkeitsschicht als Prototyp modularer Blockchains soll eine vollständige Änderung unserer Herangehensweise an das Design von Blockchain-Systemen ermöglichen und ein modulares Blockchain-Paradigma ermöglichen, bei dem verschiedene Ausführungsumgebungen diese spezialisierte Schicht für die Datenanordnung und -verfügbarkeit nutzen können. Obwohl die Sorge aufkommen kann, dass Rollups mit einer spezialisierten DA-Schicht möglicherweise nicht so sicher sind wie solche mit dem Ethereum-Mainnet, ist dies ein wesentlicher Kompromiss, da modulare Blockchains ein flexibleres, skalierbareres, anpassbareres und interoperableres Netzwerk bieten können. Auf lange Sicht wird die spezialisierte DA-Schicht zum Eckpfeiler des modularen Blockchain-Paradigmas und weist den Weg zum Endspiel der Blockchain-Skalierung.

Haftungsausschluss: Diese Recherche dient ausschließlich Informationszwecken. Sie stellt keine Anlageberatung oder Empfehlung zum Kauf oder Verkauf von Anlagen dar und sollte nicht zur Beurteilung der Vorzüge von Anlageentscheidungen verwendet werden.

🐦 @chestersigned

📅 18. April 2022

Verknüpfung:

https://medium.com/blockchain-capital-blog/wtf-is-data-availability-80c2c95ded0f

https://polynya.medium.com/the-lay-of-the-modular-blockchain-land-d937f7df4884

https://rileygmi.substack.com/p/celestia?s=r&utm_campaign=post&utm_medium=web

https://coinyuppie.com/focus-on-the-data-availability-layer-to-understand-the-new-public-chain-celestia/

https://polygon.technology/blog/introducing-avail-by-polygon-a-robust-general-zweck-scalable-data-availability-layer-98bc9814c048

https://polygon.technology/solutions/polygon-avail/