一文简析Celestia如何确保消息检索结果的完整性

问题的由来:

为了实现链的容量扩展,Celestia承诺主权应用将只需下载与其有关的消息,而不用下载全部消息,但同时,不同应用的消息是打包在同一个区块里面的,以实现平等的安全性。那么,如何保证当某个应用的执行节点向Celestia的存储节点查询消息时,存储节点仅返回所有的相关消息,而且恶意存储节点无法隐藏特定消息呢。

Celestia选择的方案是,将称为命名空间的应用标识符,插入到消息构成的默克尔树的节点信息中。这样做的好处是,可以处理存储节点隐藏全部相关消息的情况,可以定位被隐藏的消息。另外,无需大幅度修改默克尔树的生成逻辑,以确保存在一个节点,它的底层叶节点,包含且仅包含某个命名空间的全部消息,且能定位此节点。而只需要做三件相对简单的事情,就可以确保默克尔树的基本特性,不发生变化:

Binance.US上多个币种出现溢价,BTC超过28000美元:6月8日消息,在SEC寻求法院下令冻结Binance.US资产后,该平台上多个币种出现大幅溢价。其中,BTC价格最高飙升至28800美元,目前暂报28025美元,而BTC市场均价为26400USDT,差价近1600美元;ETH价格最高飙升至1998美元,目前暂报1952美元,市场均价为1840USDT;稳定币USDT以及USDC分别溢价约6%以及4%。[2023/6/8 21:22:56]

首先,生成消息的默克尔树之前,先按命名空间将消息分组归并在一起,确保不同命名空间的消息没有穿插,且命名空间是排好序的。

Circle CEO:加密领域人员越来越不敢在美国开展活动:3月3日消息,USDC稳定币发行商Circle的首席执行官Jeremy Allaire发推文称:“我们一直在扩展开发者计划、活动、黑客马拉松等,值得注意的是,这些活动绝大多数都发生在美国以外的地区。美国开发人员和企业家越来越不敢在美国开发区块链软件应用程序。”[2023/3/3 12:40:42]

其次,修改生成默克尔树时使用的哈希函数,以便命名空间信息被包含进节点信息。

检查默克尔树时,额外检查排序是否无误。

生成带命名空间的默克尔树:

ETH 2.0总质押数已超1686.64万:金色财经报道,数据显示,ETH 2.0总质押数已超1686.64万,为16866391个,按当前市场价格,价值约281.21亿美元。此外,目前ETH 2.0质押总地址数已超54.01万,为540110个。[2023/2/25 12:28:35]

前面我们说了,跟通用的默克尔树逻辑相比,只有生成节点的哈希的函数不同。具体来说,就是在原哈希函数之上,又包裹了一层,使得节点哈希变成形如‘minNs|maxNs|原哈希’的形式,minNs和maxNs分别是此节点所有子节点中,最小和最大的命名空间。容易看出,对叶节点有minNs=maxNs,因为它只包含一条消息,只能有一个命名空间。默克尔树是二叉树,且我们已对消息做了排序,所以对非叶节点有minNs等于左子节点的minNs,maxNs等于右子节点的maxNs。另外,请注意原哈希函数会把子节点的整个哈希作为输入,也就是说命名空间也参与哈希计算,因此不能随意写,否则树根哈希会跟区块里的记录不一致,就很容易看出数据无效。下图是一个带命名空间的默克尔树的示意图:

安全团队:SHIDAO 确认跑路,$ShiD跌幅已逾80%:金色财经消息,据CertiK安全团队监测,SHIDAO 确认跑路,$ShiD跌幅已逾80%。经初步分析,目前损失金额已达16.5至19万美元。代币地址:0xc59D46Ce32D8652536b5aE96DED0242E04923FD6。[2022/5/26 3:43:04]

证明消息的完整性:

首先,需要证明返回的某条消息,确实是在消息树中,这个就是普通默克尔包含证明所作的事情。因此,当存储节点返回一条消息时,它同时返回此消息的默克尔包含证明。假定返回消息M0到Mn,那会同时返回对应的默克尔包含证明P0到Pn。我们需要说明,存储节点可以不返回某条消息,但无法对消息构成的默克尔树进行变动,因为那会导致树根哈希变化,数据失效。

现在我们来看漏消息的情况,首先我们的消息是按命名空间归并在一起的,所以如果某个命名空间,在它所有消息的中间漏了消息,那任何一个默克尔证明都可以看出,消息不连续,就没必要进一步讨论了。

我们看开头或者结尾漏消息的情况,两种情况类似,我们以开头为例。比如N.2的第一条消息M.2漏了,那它对应的P.0也不会发出来,那么这时候,从查询者的角度看,原来的P.1,现在是第一个证明,它反正就检查第一个证明。下图,我画出了P.0和P.1的具体内容,我们比较它们的差别,就发现M.2左侧的节点,命名空间都小于M.2的命名空间,而M.3左侧有一个节点H.4,它的maxNs是A.2等于M.3的命名空间N.2,这个A.2的来源,就是存储节点隐藏起来的M.2。这样一来,执行节点就发现异常了。

那如果某个命名空间全部的消息都被隐藏呢。我们规定,当指定命名空间的消息不存在时,返回一个叶节点的默克尔证明,这个叶节点有minNs大于目标命名空间,但它左侧所有节点的maxNs都小于目标命名空间。那么,当存储节点隐藏了整个命名空间时,必然,根据具体返回的节点的位置,它或者左侧会出现一个maxNs大于等于目标命名空间的节点,或者右侧会出现一个minNs小于等于目标命名空间的情况。这样执行节点也能发现问题。综上所述,存储节点不可能隐藏消息而不被发现。

结语:

本文复述了Celestia白皮书中,关于多应用场景下,对抗恶意存储节点的部分内容。现在Celestia测试网已经上线,但目前更多是展示了对轻节点的支持,以及对消息分组的可行性。白皮书里面,第三章、第四章都有提到更多关于应用主权或者分片的内容,比较偏概念,针对真实公网环境来说,具体是怎么实现的,目前还看得不是很清楚。而扩容问题,显然是整个区块链领域近期最关注的目标。所以,我们之后也会特别关注Celestia在支持独立应用方面的进展,究竟怎么跟L2或者说其它‘区块链模块’结合起来,做到实用的功能,并提高链上容量,我们将拭目以待。

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