Was ist Datenverfügbarkeit?

Datenverfügbarkeit ist die Gewissheit, dass die vollständigen Daten hinter einem vorgeschlagenen Block im Netzwerk veröffentlicht wurden, sodass jeder Teilnehmer sie herunterladen und den Zustand der Chain unabhängig überprüfen oder rekonstruieren kann. Das Konzept ist vor allem für Rollups wichtig, die Transaktionen abseits ihrer übergeordneten Chain ausführen und die zugrunde liegenden Daten an einem überprüfbaren Ort veröffentlichen müssen.

Das Problem, das DA löst, ist das Zurückhalten von Daten. Ein Block-Produzent könnte einen scheinbar gültigen Header veröffentlichen und die darin enthaltenen Transaktionen verbergen, sodass das Netzwerk nicht nachweisen kann, dass etwas nicht stimmt, weil die Beweise fehlen. Die Garantie, dass die Daten veröffentlicht wurden, wenn auch nur kurzzeitig, schließt diesen Angriff aus und ermöglicht es Fraud Proofs und der Rekonstruktion des Zustands, zu funktionieren.

DA ist bewusst temporär. Netzwerke benötigen die Daten nur so lange, bis Verifizierungs- und Anfechtungsfristen abgelaufen sind, danach können sie gelöscht werden. Ethereum verwirft Blob-Daten nach etwa 18 Tagen, und Celestia hat sein minimales Löschfenster auf knapp über 7 Tage gesenkt, sodass der Speicherbedarf der Nodes trotz wachsenden Durchsatzes konstant bleibt.

Die Veröffentlichung von Daten ist für die meisten Layer-2-Netzwerke der größte einzelne Betriebskostenfaktor, sodass Preis und Kapazität von DA die Rollup-Gebühren unmittelbar bestimmen. Dadurch ist DA zu einem Wettbewerbsmarkt geworden, in dem Ethereum, Celestia, EigenDA und Avail alle Blobspace an dieselben Kunden verkaufen.

Wie funktioniert Datenverfügbarkeit?

Moderne DA-Systeme kombinieren Erasure Coding, kryptografische Commitments und zufällige Stichproben, damit kleine, günstige Nodes überprüfen können, dass riesige Datenmengen vorhanden sind, ohne sie herunterzuladen.

1. Erasure Coding

Erasure Coding erweitert die Daten eines Blocks zu einer größeren Menge redundanter Fragmente, meist mittels Reed-Solomon-Kodierung, sodass sich das Original aus nur einem Teil der Stücke rekonstruieren lässt. Wenn die Hälfte der erweiterten Daten erhalten bleibt, bleibt der gesamte Datensatz erhalten.

Diese Eigenschaft verändert das Problem der Datenzurückhaltung. Ohne Kodierung bedeutet das Verbergen einer einzelnen Transaktion, ein winziges Fragment zu unterdrücken, was Stichproben fast nie bemerken würden. Mit Kodierung bedeutet das Verbergen von irgendetwas, so viele der erweiterten Daten zu unterdrücken, dass eine Handvoll Stichproben die Lücke nahezu sicher erkennt.

Commitments binden die Fragmente an den Block-Header, sodass Nodes jede Stichprobe mit einem Fingerabdruck abgleichen können. Celestia ordnet seine codierten Daten in einem zweidimensionalen Quadrat mit Namespaced Merkle Trees an, während Ethereum und Avail Blob-Daten mit KZG-Polynom-Commitments festschreiben, die beweisen, dass ein Fragment zur Menge gehört, ohne den Rest offenzulegen.

2. Data Availability Sampling (DAS)

Das Sampling ist das Verifizierungsverfahren, das auf der Kodierung aufbaut. Statt einen Block herunterzuladen, fordert ein Light Node einige zufällige Fragmente an und prüft sie anhand der Commitments. Jede erfolgreiche Stichprobe erhöht die Wahrscheinlichkeit deutlich, dass alle Daten verfügbar sind, und einige Dutzend Stichproben treiben die Sicherheit über 99,99 %.

Die Sicherheit skaliert mit der Beteiligung. Jeder zusätzliche Sampling-Knoten fragt andere zufällige Koordinaten ab, sodass Tausende Light Clients gemeinsam den gesamten Datensatz abdecken, obwohl keine einzelne Maschine ihn vorhält. Zurückgehaltene Daten fallen bei Stichproben schnell auf, und ehrliche Knoten lehnen den Block ab, bevor er finalisiert wird.

Große Blöcke werden durch Sampling sicher. Eine Chain kann ihre Datenkapazität um eine Größenordnung steigern, ohne dass jeder Node mehr Bandbreite kaufen muss, da die Verifizierungskosten ungefähr konstant bleiben. Das ist der Mechanismus hinter Ethereums PeerDAS und dem Light-Node-Netzwerk von Celestia.

3. Full Nodes, Light Nodes und Rekonstruktion

DA-Netzwerke verteilen die Verifizierungsaufgaben auf verschiedene Node-Typen. Full Nodes laden vollständige Blöcke oder zugewiesene Teile davon herunter und speichern sie, stellen dem übrigen Netzwerk Stichproben bereit und rekonstruieren fehlende Daten aus erasure-codierten Fragmenten, wenn ein Produzent einen Teil eines Blocks zurückhält.

Light Nodes übernehmen das Sampling. Sie speichern nur Header und Commitments, laufen auf Laptops oder Smartphones und erhalten dennoch starke Garantien, dass die Daten existieren. Beim PeerDAS-Design von Ethereum speichern selbst Validatoren nicht mehr jeden Blob, da jeder Node einen zugewiesenen Teil der codierten Daten vorhält und den Rest bei anderen Peers per Sampling prüft.

Die Rekonstruktion ist das Sicherheitsnetz, das beides verbindet. Wenn genügend ehrliche Knoten zusammen genügend Fragmente halten, lässt sich der vollständige Datensatz stets wiederherstellen und neu veröffentlichen. Sampling-Netzwerke benötigen daher eine ehrliche Mindestanzahl an Teilnehmern, und größere Populationen stärken das Netzwerk, statt es zu belasten.

4. Data Availability Committees (DACs)

Nicht jede Chain zahlt für vollständige DA-Garantien. Ein Data-Availability-Komitee ist eine feste Gruppe bekannter Betreiber, die die Daten eines Rollup außerhalb der übergeordneten Chain vorhalten und Bestätigungen über deren Existenz signieren. Validiums und Optimiums nutzen dieses Modell, um die Kosten auf nahezu null zu senken, und nehmen dafür in Kauf, dass Nutzer dem Komitee vertrauen müssen, statt offen zu verifizieren.

Wenn ein Komitee kollaboriert oder ausfällt, können Nutzer möglicherweise ihre Guthaben nicht nachweisen oder die Chain nicht verlassen. Sampling-basierte Systeme beseitigen dieses Risiko, indem jeder die Daten direkt prüfen kann. L2BEAT zeigt, welche Netzwerke auf Komitees und welche auf überprüfbare DA-Schichten setzen, und ein großer Teil der anwendungsspezifischen Chains wählt wegen des Preises weiterhin das Komitee-Modell.

Hybride Designs versuchen, die Lücke zu verkleinern. Einige Komitees veröffentlichen kryptografische Zusagen auf der übergeordneten Chain, ergänzen Staking und Slashing, um Fehlverhalten zu bestrafen, oder greifen auf die vollständige On-Chain-Veröffentlichung zurück, wenn keine Bestätigungen mehr eintreffen.

Datenverfügbarkeit auf Ethereum: Blobs und PeerDAS

Ethereum machte DA mit dem Dencun-Upgrade im März 2024 zu einem erstklassigen Produkt und führte über EIP-4844 blobs ein. Blobs sind Datenpakete von 128 KB, die Rollups an Blöcke anhängen. Sie werden über einen separaten Gebührenmarkt bepreist und nach etwa 18 Tagen gelöscht.

Die Kapazität ist seit dem Start schrittweise gewachsen. Dencun startete mit einem Ziel von 3 blobs pro Block, das Pectra-Upgrade verdoppelte diesen Wert auf 6, und das Fusaka-Upgrade aktivierte anschließend PeerDAS, das Sampling-Protokoll, mit dem Nodes blobs verifizieren können, ohne sie alle herunterzuladen. Fusaka führte außerdem Blob Parameter Only Forks ein, kleine, vorab geplante Upgrades, die die blob-Limits ohne vollständigen Hard Fork erhöhen.

Innerhalb weniger Wochen folgten zwei BPO-Forks. Der zweite BPO-Fork erhöhte das Ziel auf 14 blobs pro Block bei einem Maximum von 21, also rund 2,7 MB Daten pro Block. Die Kernentwickler halten weitere Erhöhungen zurück, bis die Nachfrage den neuen Platz füllt. Die Roadmap führt zum vollständigen Danksharding, bei dem zweidimensionales Sampling deutlich höhere blob-Zahlen ermöglicht, und das kommende Glamsterdam-Upgrade strukturiert die Blockverbreitung neu, um den nächsten Schritt zu ermöglichen.

Die Preisgestaltung ist ebenso wichtig wie die Kapazität. Blob-Gebühren schwanken in einer eigenen Auktion, sodass Rollups sehr wenig zahlen, wenn Blobspace frei ist, und gemeinsam in die Höhe schnellen, wenn er ausgelastet ist. Dieser Zyklus zeigte sich, als die Nachfrage die Grenzen von Pectra erreichte, bevor Fusaka den Spielraum zurücksetzte.

Ethereum-Blobs vs. Celestia vs. EigenDA vs. Avail

Rollups wählen heute zwischen dem nativen Blobspace von Ethereum und dedizierten DA-Netzwerken, und die Entscheidung prägt ihre Kostenbasis, die Obergrenze beim Durchsatz und ihre Vertrauensannahmen. Ethereum bietet die tiefste Sicherheit und hält die Datenverifizierung innerhalb desselben Validator-Sets, das den Rollup abwickelt, während die Alternativen deutlich mehr Rohbandbreite für weniger Geld anbieten.

Celestia ist das größte speziell dafür entwickelte DA-Netzwerk, eine Proof-of-Stake-Chain, die nichts anderes tut, als Daten-blobs zu ordnen und zu veröffentlichen, die per Light-Node-Sampling verifiziert werden. Das Matcha-Upgrade hat die maximale Blockgröße von 8 MB auf 128 MB erhöht und die Inflation halbiert, als Teil einer Roadmap, die einen Durchsatz von 1 GB pro Sekunde anstrebt. Sovereign rollups und Chains mit hohem Volumen wie Eclipse veröffentlichen dort wegen des Preises und des Spielraums.

EigenDA geht einen anderen Weg und läuft als Dienst, der durch über EigenLayer restaktes ETH gesichert wird, statt eine eigene Chain zu betreiben. Die zweite Version erreichte im Mainnet 100 MB pro Sekunde, den höchsten Live-Durchsatz aller DA-Systeme, weshalb leistungsorientierte Chains wie MegaETH darauf aufbauen. Der Kompromiss ist ein Verteilungsmodell, das eher einem dezentralen Komitee als einer offen gesampelten Chain ähnelt.

Avail liegt dazwischen: eine souveräne DA-Chain, die dieselben KZG-Commitments und dasselbe Sampling-Design wie die Danksharding-Roadmap von Ethereum verwendet. Sie betreibt heute Blöcke von 4 MB mit einem erklärten Weg hin zu Kapazitäten im Multi-Gigabyte-Bereich und kombiniert die DA-Schicht mit Nexus, einem cross-chain-Koordinationssystem, das nun auf dem Mainnet live ist.

So schneiden die wichtigsten Optionen im Vergleich ab:

Datenverfügbarkeit vs. Datenspeicherung

DA und Speicherung beantworten unterschiedliche Fragen. Verfügbarkeit belegt, dass Daten zum Zeitpunkt der Blockerstellung veröffentlicht und überprüfbar waren, was Konsens und Fraud Proofs erfordern. Speicherung hält Daten noch lange danach abrufbar, was Explorer, Indexer und Nutzer benötigen, die die Historie erneut abspielen.

Blockchains setzen nur das Erste durch. Sobald das Blob-Fenster von Ethereum von etwa 18 Tagen oder das Pruning-Fenster von Celestia abgelaufen ist, gibt das Protokoll kein Versprechen mehr ab, dass die Daten noch existieren. Der Anreiz, sie zu speichern, verlagert sich auf Parteien, die den Verlauf benötigen, darunter Rollup-Teams, Archive Nodes, Explorer und Indexer.

Permanente Speichernetzwerke übernehmen die zweite Rolle. Systeme wie Arweave und Filecoin bezahlen Nodes dafür, Daten unbegrenzt vorzuhalten, und einige Rollups archivieren dort ihre gekürzte Blob-Historie. Wer beides vermischt, gelangt zu dem verbreiteten Irrtum, das Kürzen mache Rollups unsicher, obwohl das sicherheitsrelevante Zeitfenster bereits geschlossen ist, wenn die Daten ablaufen.

Warum Datenverfügbarkeit für Rollups wichtig ist

Die Sicherheit jedes Rollups beruht auf dem Anspruch, dass Außenstehende dessen Zustand überprüfen können, und dieser Anspruch scheitert ohne veröffentlichte Daten. Optimistische Rollups benötigen die Daten, damit Challenger eine ungültige State Root erkennen und innerhalb des Dispute-Fensters einen Fraud Proof einreichen können. Könnte der Sequencer Transaktionen verbergen, könnte niemand den Beweis erstellen, und Diebstahl würde unangefochten finalisiert.

ZK-Rollups benötigen sie aus einem anderen Grund. Ein Gültigkeitsbeweis garantiert bereits, dass der Zustandsübergang korrekt berechnet wurde, doch Nutzer brauchen weiterhin die zugrunde liegenden Daten, um ihre eigenen Guthaben zu kennen und das Rollup zu verlassen, falls die Betreiber verschwinden. Beweise ohne Daten lassen eine Chain korrekt, aber unbrauchbar zurück. Deshalb behandeln beide Rollup-Familien DA als unverzichtbar, während Validiums schwächere Garantien durch Komitees akzeptieren, um Kosten zu senken.

Die DA-Kapazität begrenzt auch die Rollup-Leistung. Eine Chain kann Transaktionen nur so schnell verarbeiten, wie sie die zugrunde liegenden Daten veröffentlichen kann. Daher legen Blob-Limits und DA-Bandbreite die Durchsatzgrenzen und das Gebührenniveau im gesamten Layer-2-Ökosystem fest. Deshalb war jedes große Skalierungs-Upgrade der vergangenen zwei Jahre, von Dencun über Fusaka bis zu Celestias Matcha, zuallererst ein DA-Upgrade.

Herausforderungen bei der Sicherstellung der Datenverfügbarkeit

Das Zurückhalten von Daten bleibt der zentrale Angriff. Sampling wirkt dem statistisch entgegen, doch die Garantien hängen von Annahmen ab, die in der Praxis erfüllt sein müssen, darunter genügend ehrliche Sampling-Nodes, unvorhersehbare Sample-Anfragen und eine funktionierende Rekonstruktion, wenn Fragmente fehlen. Das Protokoll von Celestia zur Block-Rekonstruktion bei minimaler Anzahl von Light Nodes befindet sich noch in aktiver Entwicklung, und PeerDAS wurde erst vor knapp einem halben Jahr im Ethereum-Mainnet eingeführt.

Die Wirtschaftlichkeit erzeugt eine zweite Reihe von Belastungen. Dedizierte DA-Schichten bepreisen Blobspace so günstig, dass die Gebühreneinnahmen gering bleiben, was Fragen aufwirft, wie ihre Validator-Sets langfristig finanziert werden, während Ethereum die gegenteilige Spannung erlebt, weil das Auslagern von Daten auf externe Schichten Gebühreneinnahmen von den eigenen Validatoren wegverlagert. Komiteebasierte Systeme erben bekannte Zentralisierungsrisiken, da eine kleine Gruppe von Betreibern zensieren, kolludieren oder schlicht ausfallen kann.

Die Skalierung bringt eigene technische Risiken mit sich. Die Verbreitung von Blöcken mit 128 MB oder von 100 MB verteilter Daten pro Sekunde stößt an Netzwerkgrenzen, und jeder Kapazitätssprung muss gewährleisten, dass eine durchschnittliche Heimverbindung die Chain weiterhin verifizieren kann. Die Roadmap-Ziele der Branche, Gigabyte-Blöcke und mehr, hängen alle davon ab, dass das Sampling auch dann funktioniert, wenn die Datenmengen um Größenordnungen wachsen.

Fazit

Data Availability begann als obskure Ecke des Rollup-Designs und wurde zur Achse, um die sich die gesamte Skalierungsdebatte dreht. Wer die Daten veröffentlicht, bestimmt die Sicherheit der darauf aufbauenden Chain, und wer sie bepreist, bestimmt die Gebühren der Nutzer.

Das Feld hat sich um Sampling herum konsolidiert. Ethereums PeerDAS, die Light Nodes von Celestia und das KZG-Design von Avail beruhen alle auf derselben Erkenntnis: Stichprobenartige Prüfungen über Daten mit Erasure Coding ermöglichen es kleinen Rechnern, riesige Blöcke zu verifizieren. EigenDA zeigt dagegen, wie viel Rohbandbreite ein Restaking-Operator-Set heute liefern kann.

Wir erwarten, dass die Nachfrage über die nächste Phase entscheidet. Die Blob-Kapazität übersteigt die Nutzung auf Ethereum, Celestia verfügt über 16x Spielraum gegenüber den früheren Grenzen, und offen ist, welche Anwendungen, von Hochfrequenzhandels-Chains bis zu Onchain-Spielen, in den für sie geschaffenen Raum hineinwachsen.