Was ist Data Availability?

Data availability ist die Zusicherung, 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. Dieses Konzept ist besonders wichtig für rollups, die Transaktionen abseits ihrer übergeordneten Chain ausführen und die zugrundeliegenden Daten an einem verifizierbaren Ort veröffentlichen müssen.

Das Problem, das DA löst, ist das Zurückhalten von Daten (Withholding). Ein Blockproduzent könnte einen gültig aussehenden Header veröffentlichen und gleichzeitig die darin enthaltenen Transaktionen verbergen, sodass das Netzwerk nicht nachweisen kann, dass ein Fehler vorliegt, da die Beweise fehlen. Die Garantie, dass die Daten veröffentlicht wurden, und sei es auch nur kurzzeitig, schließt diesen Angriffsvektor und ermöglicht das Funktionieren von Betrugsnachweisen und der Zustandsrekonstruktion.

DA ist bewusst temporär ausgelegt. Netzwerke müssen die Daten nur so lange vorhalten, bis die Verifizierungs- und Einspruchsfenster abgelaufen sind, wonach sie bereinigt werden können. Ethereum verwirft blob-Daten nach etwa 18 Tagen, und Celestia hat sein minimales Bereinigungsfenster auf knapp über 7 Tage verkürzt, wodurch die Anforderungen an den Node-Speicher bei wachsendem Durchsatz konstant bleiben.

Die Veröffentlichung von Daten macht für die meisten Layer 2 networks den größten Betriebskostenfaktor aus, weshalb Preis und Kapazität von DA direkt die rollup-Gebühren bestimmen. Dies hat DA zu einem wettbewerbsintensiven Markt gemacht, auf dem Ethereum, Celestia, EigenDA und Avail denselben Kunden blobspace verkaufen.

Wie funktioniert Data Availability?

Moderne DA-Systeme kombinieren Erasure Coding, kryptografische Verpflichtungen und zufällige Stichproben, damit kleine, günstige Nodes verifizieren können, dass riesige Datenmengen existieren, ohne auch nur einen Teil davon herunterzuladen.

1. Erasure Coding

Erasure Coding erweitert die Daten eines Blocks zu einem größeren Satz redundanter Fragmente, typischerweise unter Verwendung einer Reed-Solomon-Codierung, sodass das Original aus nur einem Bruchteil der Teile rekonstruiert werden kann. Überlebt die Hälfte der erweiterten Daten, überlebt der gesamte Datensatz.

Diese Eigenschaft transformiert das Problem des Zurückhaltens von Daten. Ohne Codierung bedeutet das Verbergen einer einzigen Transaktion das Unterdrücken eines winzigen Fragments, das Zufallsprüfungen fast nie entdecken würden. Mit Codierung bedeutet das Verbergen von Daten, dass so viel von den erweiterten Daten unterdrückt werden muss, dass eine Handvoll Stichproben die Lücke mit nahezu absoluter Sicherheit erkennt.

Commitments binden die Fragmente an den Blockheader, sodass Nodes jede Stichprobe anhand eines Fingerabdrucks überprüfen können. Celestia ordnet seine codierten Daten in einem zweidimensionalen Quadrat mit Namespaced Merkle Trees an, während Ethereum und Avail mittels KZG-Polynom-Commitments Verpflichtungen für Blob-Daten eingehen; diese beweisen, dass ein Fragment zur Menge gehört, ohne den Rest zu offenbaren.

2. Data Availability Sampling (DAS)

Sampling ist die auf der Codierung aufbauende Verifizierungstechnik. Anstatt einen Block herunterzuladen, fordert ein Light Node einige zufällige Fragmente an und gleicht sie mit den Commitments ab. Jede erfolgreiche Stichprobe erhöht drastisch die Wahrscheinlichkeit, dass alle Daten vorhanden sind, und ein Dutzend Stichproben treibt das Vertrauen auf über 99,99 %.

Die Sicherheit skaliert mit der Beteiligung. Jedes zusätzliche Sampling-Node fragt andere zufällige Koordinaten ab, sodass Tausende von Light Clients kollektiv den gesamten Datensatz abdecken, obwohl keine einzelne Maschine diesen vollständig vorhält. Vorenthaltene Daten lassen Stichproben schnell fehlschlagen, und ehrliche Nodes lehnen den Block ab, bevor er finalisiert wird.

Große Blöcke werden dank Sampling sicher. Eine Chain kann ihre Datenkapazität um eine Größenordnung erhöhen, ohne dass jeder Node mehr Bandbreite erwerben muss, da die Verifizierungskosten nahezu konstant bleiben. Das ist der Mechanismus hinter Ethereums PeerDAS und Celestias Light-Node-Netzwerk.

3. Full Nodes, Light Nodes und Rekonstruktion

DA-Netzwerke teilen die Verifizierungsaufgaben auf verschiedene Node-Typen auf. Full Nodes laden komplette Blöcke oder zugewiesene Teile davon herunter und speichern sie, stellen dem restlichen Netzwerk Stichproben zur Verfügung und rekonstruieren fehlende Daten aus Erasure-Coded-Fragmenten, wenn ein Produzent einen Teil eines Blocks vorenthält.

Light Nodes führen das Sampling durch. Sie halten lediglich Header und Commitments vor, laufen auf Laptops oder Handys und erhalten dennoch starke Garantien dafür, dass die Daten existieren. Unter Ethereums PeerDAS-Design speichern nicht einmal Validatoren mehr jeden Blob, da jeder Node einen zugewiesenen Teil der codierten Daten verwahrt und den Rest von Peers abtastet.

Die Rekonstruktion ist das Sicherheitsnetz, das beide Seiten miteinander verknüpft. Wenn genügend ehrliche Nodes ausreichend Fragmente unter sich aufteilen, kann der vollständige Datensatz jederzeit wiederhergestellt und erneut veröffentlicht werden; Daher benötigen Sampling-Netzwerke eine minimale Anzahl ehrlicher Teilnehmer, während größere Teilnehmerzahlen das Netzwerk stärken, anstatt es zu belasten.

4. Data Availability Committees (DACs)

Nicht jede Chain zahlt den Preis für vollständige DA-Garantien. Ein Data Availability Committee ist eine feste Gruppe bekannter Betreiber, die die Daten eines rollups außerhalb der übergeordneten Chain vorhalten und Bescheinigungen über deren Existenz signieren. Validiums und Optimiums nutzen dieses Modell, um die Kosten auf nahezu null zu senken, wobei sie in Kauf nehmen, dass Nutzer dem Committee anstelle einer offenen Verifizierung vertrauen müssen.

Wenn ein Committee kolludiert oder versagt, können Nutzer möglicherweise ihre Guthaben nicht nachweisen oder die Chain nicht verlassen; ein Risiko, das auf Sampling basierende Systeme beseitigen, indem sie jedem erlauben, die Daten direkt zu überprüfen. L2BEAT verfolgt, welche Netzwerke auf Committees anstelle von verifizierbaren DA-Layern setzen, und ein großer Anteil applikationsspezifischer Chains wählt das Committee-Modell nach wie vor wegen seines Preises.

Hybride Designs versuchen, diese Lücke zu verkleinern. Einige Committees veröffentlichen kryptografische Commitments auf der übergeordneten Chain, fügen staking und Slashing hinzu, um Fehlverhalten zu bestrafen, oder fallen auf die vollständige Veröffentlichung onchain zurück, wenn keine Bestätigungen mehr eingehen.

Data Availability auf Ethereum: Blobs und PeerDAS

Ethereum machte DA mit dem Dencun-Upgrade im März 2024 zu einem Produkt erster Klasse, welches Blobs durch EIP-4844 einführte. Blobs sind 128-KB-Datenpakete, die rollups an Blöcke anhängen; sie werden über einen separaten Gebührenmarkt bepreist und nach etwa 18 Tagen verworfen.

Die Kapazität ist seit dem Start schrittweise gestiegen. Dencun begann mit einem Ziel von 3 Blobs pro Block, das Pectra-Upgrade verdoppelte diesen Wert auf 6, und das Fusaka-Upgrade aktivierte daraufhin PeerDAS, das Sampling-Protokoll, mit dem Nodes Blobs verifizieren können, ohne sie alle herunterzuladen. Fusaka fügte zudem Blob-Parameter-Only-Forks hinzu; kleine, im Voraus geplante Upgrades, die Blob-Limits ohne einen vollständigen Hard Fork anheben.

Zwei BPO-Forks folgten innerhalb weniger Wochen. Die zweite BPO-Fork hob das Ziel auf 14 Blobs pro Block mit einem Maximum von 21 an (etwa 2,7 MB an Daten pro Block), und Core-Entwickler haben weitere Erhöhungen so lange in Reserve gehalten, bis die Nachfrage den neuen Speicherplatz ausfüllt. Die Roadmap führt hin zu vollständigem Danksharding, bei dem zweidimensionales Sampling weitaus höhere Blob-Anzahlen unterstützt, und das kommende Glamsterdam-Upgrade restrukturiert die Blockpropagierung, um den nächsten Schritt freizuschalten.

Die Preisgestaltung ist ebenso wichtig wie die Kapazität. Blob-Gebühren schwanken in einer eigenen Auktion, sodass rollups sehr wenig zahlen, wenn der Blob-Speicherplatz frei ist, und sprunghaft ansteigen, wenn er saturiert; ein Zyklus, der sich abspielte, als die Nachfrage die Grenzen von Pectra erreichte, bevor Fusaka den Spielraum zurücksetzte.

Ethereum Blobs vs. Celestia vs. EigenDA vs. Avail

Rollups wählen mittlerweile zwischen Ethereums nativem Blob-Speicherplatz und dedizierten DA-Netzwerken, und diese Entscheidung prägt ihre Kostenbasis, ihre Durchsatzobergrenze sowie ihre Vertrauensannahmen. Ethereum bietet die tiefste Sicherheit und belässt die Datenverifizierung innerhalb desselben Validator-Sets, das auch das rollup abwickelt, während die Alternativen deutlich mehr rohe Bandbreite zu einem geringeren Preis anbieten.

Celestia ist das größte speziell dafür entwickelte DA-Netzwerk, eine Proof-of-Stake-Chain, die nichts anderes tut, als durch Light-Node-Sampling verifizierte Daten-Blobs zu ordnen und zu veröffentlichen. Ihr Matcha-Upgrade erhöhte die maximale Blockgröße von 8 MB auf 128 MB und halbierte die Inflation; dies ist Teil einer Roadmap, die einen Durchsatz von 1 GB pro Sekunde anstrebt. Sovereign rollups und volumenstarke Chains wie Eclipse veröffentlichen dort wegen des Preises und des Spielraums.

EigenDA schlägt einen anderen Weg ein und läuft als Dienst, der durch über EigenLayer restaketes ETH abgesichert wird, anstatt eine eigene Chain zu betreiben. Seine zweite Version erreichte 100 MB pro Sekunde auf dem mainnet, den höchsten Live-Durchsatz aller DA-Systeme, weshalb auf Leistungsfähigkeit ausgerichtete Chains wie MegaETH darauf aufbauen. Der Kompromiss besteht in einem Dispersionsmodell, das eher einem dezentralen Committee als einer offen abgetasteten Chain gleicht.

Avail positioniert sich dazwischen: eine souveräne DA-Chain, die dieselben KZG-Commitments und das Sampling-Design wie Ethereums Danksharding-Roadmap verwendet. Sie betreibt heute 4-MB-Blöcke mit einem erklärten Pfad zu einer Kapazität im Gigabyte-Bereich und kombiniert das DA-Layer mit Nexus, einem cross-chain-Koordinationssystem, das mittlerweile auf dem mainnet aktiv ist.

So schneiden die wichtigsten Optionen im Vergleich ab:

data availability vs Datenspeicherung

data availability und Speicher beantworten unterschiedliche Fragen. Availability beweist, dass Daten zum Zeitpunkt der Blockproduktion veröffentlicht und überprüfbar waren, was für Konsens und Betrugsnachweise erforderlich ist. Speicher sorgt dafür, dass Daten auch lange danach abrufbar bleiben, was von Explorern, Indexern und Nutzern benötigt wird, die die Historie abspielen.

Blockchains erzwingen nur Ersteres. Sobald Ethereums rund 18-tägiges blob-Fenster oder das Pruning-Fenster von Celestia vorüber ist, gibt das Protokoll kein Versprechen ab, dass die Daten noch existieren, und der Anreiz, sie aufzubewahren, verlagert sich auf Parteien, die Historie benötigen, darunter rollup-Teams, Archivknoten, Explorer und Indexer.

Netzwerke für dauerhafte Speicherung erfüllen die zweite Rolle. Systeme wie Arweave und Filecoin bezahlen Knoten dafür, Daten auf unbestimmte Zeit vorzuhalten, und einige rollups archivieren dort ihre bereinigte blob-Historie. Die Vermischung der beiden führt zu dem weit verbreiteten Irrglauben, dass das Pruning rollups unsicher macht, obwohl das sicherheitsrelevante Fenster bereits geschlossen ist, wenn die Daten ablaufen.

Warum data availability für rollups wichtig ist

Die Sicherheit jedes rollups lässt sich auf die Behauptung reduzieren, dass Außenstehende seinen Zustand überprüfen können, und diese Behauptung scheitert ohne veröffentlichte Daten. Optimistic rollups benötigen die Daten, damit Herausforderer einen ungültigen state root erkennen und innerhalb des Streitfensters einen Betrugsnachweis einreichen können. Wenn der Sequencer Transaktionen verbergen könnte, könnte niemand den Nachweis erbringen, und Diebstahl würde unwidersprochen finalisiert werden.

ZK rollups benötigen sie aus einem anderen Grund. Ein Gültigkeitsnachweis garantiert bereits, dass der Zustandsübergang korrekt berechnet wurde, aber Nutzer benötigen dennoch die zugrunde liegenden Daten, um ihre eigenen Salden zu kennen und das rollup zu verlassen, falls dessen Betreiber verschwinden. Nachweise ohne Daten lassen eine Kette korrekt, aber unbrauchbar zurück, weshalb beide rollup-Familien DA als unverhandelbar betrachten, während Validiums schwächere Komiteegarantien akzeptieren, um Kosten zu senken.

Die DA-Kapazität deckelt zudem die Leistung eines rollups. Eine Kette kann Transaktionen nur so schnell verarbeiten, wie sie die Daten dahinter veröffentlichen kann, weshalb blob-Limits und DA-Bandbreite Durchsatzobergrenzen und Gebührenniveaus im gesamten Layer 2-Ökosystem vorgeben. Diese Verbindung ist der Grund, warum jedes größere Skalierungsupgrade der letzten zwei Jahre, von Dencun über Fusaka bis hin zu Celestias Matcha, in erster Linie ein DA-Upgrade war.

Herausforderungen bei der Gewährleistung von data availability

Das Vorenthalten von Daten bleibt der Kernangriff. Stichproben besiegen dies statistisch, aber die Garantien hängen von Annahmen ab, die in der Praxis gelten müssen, darunter genügend ehrliche Stichprobenknoten, unvorhersehbare Stichprobenanfragen und funktionierende Rekonstruktion, wenn Fragmente fehlen. Celestias Blockrekonstruktionsprotokoll für minimale light node-Populationen befindet sich noch in der aktiven Entwicklung, und PeerDAS wurde auf dem Ethereum mainnet vor kaum einem halben Jahr veröffentlicht.

Die Ökonomie erzeugt eine zweite Reihe von Drücken. Dedizierte DA-Schichten bepreisen blobspace so günstig, dass die Gebühreneinnahmen gering bleiben, was Fragen darüber aufwirft, wie ihre Validatorensätze langfristig finanziert werden, während Ethereum mit der entgegengesetzten Spannung konfrontiert ist, da das Pushen von Daten an externe Schichten die Gebühreneinnahmen von den eigenen Validatoren wegverlagert. Komiteebasierte Systeme erben vertraute Zentralisierungsrisiken, da ein kleiner Betreibersatz zensieren, kolludieren oder einfach offline gehen kann.

Skalierung bringt eigene Ingenieursrisiken mit sich. Die Weitergabe von 128 MB großen Blöcken oder 100 MB pro Sekunde an verteilten Daten treibt die Netzwerkgrenzen an, und jeder Kapazitätssprung muss die Eigenschaft bewahren, dass eine bescheidene Heimverbindung die Kette weiterhin verifizieren kann. Die Roadmap-Ziele des Sektors, Gigabyte-Blöcke und darüber hinaus, hängen alle davon ab, dass Stichproben weiterhin standhalten, während Datensätze um Größenordnungen wachsen.

Fazit

Data availability begann als eine obskure Ecke des rollup-Designs und wurde zu der Achse, um die sich die gesamte Skalierungsdebatte dreht. Wer die Daten veröffentlicht, definiert die Sicherheit der darauf aufgebauten Kette, und wer sie bepreist, definiert die Gebühren, die Nutzer zahlen.

Das Feld hat sich um Stichproben konsolidiert. Ethereums PeerDAS, Celestias light nodes und Avails KZG-Design konvergieren alle auf dieselbe Erkenntnis: Zufällige Prüfungen über erasure-coded Daten ermöglichen es kleinen Maschinen, enorme Blöcke zu verifizieren, während EigenDA zeigt, wie viel rohe Bandbreite ein restaked Betreibersatz heute liefern kann.

Wir erwarten, dass die Nachfrage die nächste Phase entscheidet. Die blob-Kapazität übertrifft die Nutzung auf Ethereum, Celestia hält einen 16-fachen Spielraum über seinen alten Limits, und die offene Frage ist, welche Anwendungen, von Hochfrequenzhandelsketten bis hin zu Onchain-Spielen, in den Raum hineinwachsen, der für sie gebaut wurde.