[论文解读] Data Availability Sampling in Ethereum: Analysis of P2P Networking Requirements

Michał Król, Onur Ascigil+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2023

Peer-to-Peer Network Technologies被引用 4

一句话总结

本文分析了以太坊数据可用性采样（DAS）机制引入的点对点（P2P）网络挑战，该机制通过允许验证者在不下载完整区块的情况下以概率方式验证数据可用性，从而实现可扩展的汇总交易处理。关键贡献在于识别出关键的P2P需求——低延迟、高带宽和强安全性，同时提出了针对DAS原生网络协议的新型研究方向，以支持以太坊实现100,000+ TPS的可扩展性。

ABSTRACT

Despite their increasing popularity, blockchains still suffer from severe scalability limitations. Recently, Ethereum proposed a novel approach to block validation based on Data Availability Sampling (DAS), that has the potential to improve its transaction per second rate by more than two orders of magnitude. DAS should also significantly reduce per-transaction validation costs. At the same time, DAS introduces new communication patterns in the Ethereum Peer-to-Peer (P2P) network. These drastically increase the amount of exchanged data and impose stringent latency objectives. In this paper, we review the new requirements for P2P networking associated with DAS, discuss open challenges, and identify new research directions.

研究动机与目标

• 通过在大规模范围内实现以汇总为中心的交易处理，解决以太坊当前约14 TPS的可扩展性瓶颈。
• 识别数据可用性采样（DAS）引入的关键P2P网络挑战，包括巨大的数据量（最高达140 MB/区块）和严格的4秒验证延迟。
• 分析现有P2P协议（如Gossip、DHT、多播）在DAS工作负载下的不足之处，特别是在安全性、效率和鲁棒性方面的缺陷。
• 提出设计安全、抗Sybil攻击且高性能的P2P网络的新研究方向，以适配DAS，包括k-out-of-n采样和基于区域的路由。
• 通过重新思考P2P网络基础，支持去中心化、高效且安全的数据可用性验证，使以太坊能够实现100,000+ TPS的可扩展性。

提出的方法

• 将DAS建模为一种概率采样机制，其中验证者从数据矩阵中请求随机行和列以验证可用性，而无需下载完整数据。
• 根据DAS特定需求（高带宽、低延迟、抗Sybil和遮蔽攻击）评估经典P2P协议（Gossip、DHT、多播）的适用性。
• 利用以太坊PoS共识中的诚实多数假设，通过基于质押的邻居选择机制，构建抗Sybil攻击的对等网络。
• 引入k-out-of-n采样方案，通过容忍部分失败或恶意行为提高鲁棒性，降低对完美数据交付的依赖。
• 设计基于区域的DHT路由，防止攻击者劫持密钥空间，通过均匀分布的对等ID确保诚实节点保留在采样区域内。
• 通过限制对等响应以增强DHT路由安全性，防止在查找过程中发生恶意路由，同时保持效率并提升可信度。

Figure 1: Block data sampling. The producer gathers rollup commitments from the clients and creates an extended block. The block must be sampled by validators within 4 s from the block production by requesting 2 random rows and 2 random columns. Non-validator nodes sample the block within 10 s by re

实验结果

研究问题

• RQ1 在严格的4秒延迟约束下，P2P网络如何高效且安全地传播每区块高达140 MB的数据，以支持验证者采样？
• RQ2 为支持DAS中不可预测、高容量且低延迟的采样模式，对现有P2P协议（如DHT、Gossip）需要进行哪些修改？
• RQ3 能否利用以太坊PoS共识中的诚实多数假设，构建抗分区和劫持攻击的抗Sybil攻击P2P网络？
• RQ4 k-out-of-n采样方案如何降低P2P网络对可靠性的要求，同时保持与完整采样相当的安全保障？
• RQ5 何种路由和数据放置策略可防止基于DHT的系统在DAS背景下面临针对性密钥空间攻击？

主要发现

• 当前以太坊P2P协议（包括Gossip和DHT）在DAS场景下不足，存在高信令开销、可扩展性差以及易受Sybil和遮蔽攻击的缺陷。
• 在DAS下，每区块总数据量从约90 KB增至约140 MB，这要求对P2P网络基础设施进行根本性重构。
• k-out-of-n采样方案可通过允许即使部分样本未能到达仍能成功验证，降低对P2P网络可靠性的要求，提升容错能力。
• 基于区域的DHT路由可通过确保诚实节点在各区域中均匀分布，防止密钥空间劫持攻击，使协同攻击更难奏效。
• 现有P2P协议已不适用于现代硬件；增大DHT桶大小并调整路由参数可显著提升性能和可扩展性。
• 验证者4秒的验证窗口和非验证者10秒的窗口对延迟和带宽施加了严格约束，当前协议无法在无架构创新的情况下满足这些要求。