Vérification décentralisée dans DePIN

Par Raullen Chai, Co-Fondateur et CEO d'IoTeX, et Andrew Law, Chercheur chez IoTeX

Les Réseaux d'Infrastructure Physique Décentralisée (DePINs) représentent un changement transformateur dans notre façon d'envisager et d'organiser les systèmes du monde réel, couvrant des domaines tels que l'énergie, le transport et les télécommunications. En entrelaçant blockchains, cryptomonnaies et contrats intelligents avec des dispositifs intelligents, les DePINs offrent la possibilité de coordonner l'infrastructure physique de manière décentralisée et de pair à pair. Comme l'a souligné Guy Woullet de a16z, le succès des DePINs dépend de la résolution d'un défi majeur : garantir une vérification fiable des nœuds de service géographiquement dispersés sans avoir recours à une autorité centrale. Dans cet article, nous plongeons dans le sujet de la vérification décentralisée au sein des DePINs, analysons de manière critique les solutions existantes et proposons des voies novatrices qui promettent l'évolutivité sans compromettre la sécurité et la décentralisation.

L'essor des DePIN

Les DePINs exploitent la puissance des blockchains et des contrats intelligents pour créer des marchés ouverts pour des services ancrés dans l'infrastructure physique. Considérons un DePIN basé sur l'énergie : les propriétaires de maisons équipés de panneaux solaires pourraient potentiellement produire de l'électricité et canaliser l'énergie excédentaire vers leurs voisins. Facilités par des blockchains et exécutées via des contrats intelligents, ces transactions énergétiques sont documentées et réglées de manière autonome. Au cœur de ce processus se trouvent des dispositifs IoT, tels que des batteries et d'autres matériels connectés aux micro-réseaux, qui rendent possible la distribution d'énergie par les foyers de manière fiable et directe entre pairs, éliminant ainsi le besoin de compagnies d'utilité comme intermédiaires. Ces réseaux d'infrastructure physique décentralisée gagnent du terrain dans divers secteurs en 2023. En écartant les gardiens centralisés, les DePINs sont prêts à améliorer l'efficacité, réduire les coûts, accroître l'accessibilité et accorder davantage d'autonomie aux individus.

L'anatomie des DePIN

Les infrastructures physiques décentralisées s'appuient sur une pile technologique sophistiquée qui mélange matériel, connectivité, middleware, contrats intelligents basés sur la blockchain et applications web ou mobiles.

En zoomant sur un réseau DEPIN typique (pensez à DIMO ou Helium ou WiFimap ou GeoDnet), il y a généralement trois rôles :

• Nœuds de service : un ensemble de serveurs ou de dispositifs fournissant des services ou des utilités, par exemple, WiFi/5G, collecte de données environnementales et production d'énergie.
• Middleware : une couche qui se concentre principalement sur la vérification si les nœuds de service fonctionnent comme prévu. Elle garantit une représentation et un rapport précis des activités et événements du monde réel des nœuds de service aux contrats intelligents, qui peuvent être étroitement liés au fonctionnement des tokens DEPIN.
• Utilisateurs finaux : une communauté de personnes ou d'entreprises ordinaires qui utilisent effectivement les utilités fournies par les nœuds de service ou les dispositifs. Parmi ceux-ci, le middleware est responsable de la mesure de la qualité du service ou de l'utilité provenant des nœuds en suivant certains indicateurs, dont l'absence pourrait conduire, comme mentionné ici :

1. Auto-dealing : Les participants pourraient exploiter le réseau en utilisant des services de l'infrastructure qu'ils possèdent, accumulant des frais et des récompenses. Par exemple, une entité énergétique pourrait simuler l'achat d'énergie à partir de ses propres réserves. Avec des subventions suffisantes ou des récompenses initiales de bloc, l'auto-dealing devient lucratif.
2. Fournisseurs paresseux : Les fournisseurs d'infrastructure pourraient promettre des services mais soit se rétracter de leurs engagements, soit fournir des services de qualité inférieure. En l'absence d'un système de vérification rigoureux, les utilisateurs se retrouvent sans recours.
3. Fournisseurs malveillants : Bien que plus rares par rapport aux deux premiers, il existe une possibilité que des entités malveillantes manipulent l'infrastructure, persuadant les utilisateurs d'accepter des données de capteurs trompeuses qui s'alignent sur les intérêts financiers du fournisseur. Les comportements non contrôlés peuvent déstabiliser les incitations économiques des DePIN. La confiance et l'efficacité du réseau déclinent, menant soit à une "tragédie des communs" avec des fournisseurs recherchant leur propre gain, soit à une centralisation du pouvoir. Dans les deux cas, l'objectif d'une infrastructure décentralisée dirigée par des pairs est compromis.

Le Middleware pour la Vérification

Le proof-of-work de Bitcoin est une forme précoce de vérification DEPIN. Il exploite d'énormes quantités de puissance de hachage pour garantir la sécurité, chaque nœud du réseau mondial Bitcoin jouant un rôle dans la vérification. La vérification DEPIN utilise aujourd'hui un ethos similaire. Ici, les nœuds de service produisent une utilité, et un autre ensemble distinct de nœuds (en tant que protocole middleware) intervient pour endosser cette utilité, garantissant la validité et l'authenticité du travail effectué dans le monde physique. Ceci peut être caractérisé comme "preuve de travail utile" ou "preuve de travail physique". Les deux systèmes soulignent l'importance du consensus décentralisé pour favoriser la confiance et la sécurité.

Concevoir et architecturer un tel middleware n'est pas trivial. Regardons-le sous différents angles.

Perspective A : Une technologie faisable pour la vérification

Une vérification réussie dans un DePIN est atteinte si les deux points suivants sont réalisés en même temps :

1. Authenticité et intégrité des mesures : Les mesures des nœuds de service ou des dispositifs représentent leur statut de travail (par exemple, ils ont fourni un certain service, comme offrir une connectivité WiFi ou collecter des données environnementales) et doivent être authentiques et non falsifiées.
2. Fiabilité du calcul hors chaîne : En général, les mesures ne peuvent pas être utilisées directement à des fins de vérification. Une certaine quantité de calcul hors chaîne est nécessaire pour les traiter, ce qui doit être fiable, par exemple, pas de tricherie. Prenons le cas d'un DePIN axé sur l'énergie : il est crucial que le smart contract fasse confiance à un compteur intelligent qui mesure correctement la génération d'énergie solaire AINSI QUE que le middleware vérifie peut-être 6 heures de mesures de ce compteur intelligent, afin d'initier des paiements sur la chaîne en crypto.

Pour atteindre les deux, nous pouvons cartographier la technologie actuelle qui est faisable, comme ci-dessous.

Perspective B : Emballer la technologie de vérification de manière décentralisée

Après avoir compris suffisamment la technologie de vérification faisable, nous devons réfléchir à la manière de l'emballer dans un protocole décentralisé. Voici quelques réflexions :

• La couche matérielle doit être minimisée (pour garantir une accessibilité généralisée et une décentralisation) et de nombreuses fonctionnalités devraient être inscrites dans le middleware pour aider à éviter les risques de centralisation dans d'autres domaines de la pile. Cela est analogue au célèbre "Fat Protocol" tel que nous voulons que la couche matérielle soit mince tandis que le middleware soit gros.

• Le middleware fonctionne comme une blockchain publique à cet égard
• être sans autorisation et neutre (open-source, géré par la communauté)
• être transparent et sans confiance, offrant une haute sécurité, capable de résister à des attaques sophistiquées motivées par des raisons financières.
• être capable d'exécuter divers types de vérifications pour différents scénarios, car il a besoin de programmabilité (pensez à un contrat intelligent) intégré.
• Être capable d'incorporer des fonctionnalités nécessaires des couches matérielles ou d'application si nécessaire.

Perspective C : Modes de Vérification

Dans différents scénarios, les nœuds de service fonctionnent différemment. Par exemple, dans le contexte de stockage de fichiers, les nœuds de service sont toujours actifs (pour stocker ce qui a été promis) donc des contrôles ponctuels sur eux sont naturels, tandis que dans le contexte de DIMO (collecte de données automobiles), un nœud de service (dispositif monté sur la voiture) télécharge des mesures toutes les 10 minutes, de sorte que la vérification peut être appliquée à toutes les mesures. Par conséquent, le middleware a différents modes de vérification s'adaptant à des applications DEPIN distinctes :

• Traitement de données : c'est le mode le plus courant où les nœuds de service ou les dispositifs envoient essentiellement toutes les mesures au middleware, qui vérifie et les traite pour produire des preuves pour les contrats intelligents.
• Intégrateur proactif : le protocole middleware sélectionne activement un sous-ensemble de nœuds de service à défier (notez que si le protocole middleware est suffisamment fort, il peut "échantillonner" tous les nœuds de service). Après avoir obtenu les réponses des nœuds, il passe en mode traitement de données. L'approche d'échantillonnage aléatoire utilisée dans Filecoin entre dans cette catégorie.
• Observateur passif : c'est la façon la moins courante où le middleware surveille silencieusement les nœuds en service et essaie de trouver des preuves qu'ils (ne) font (pas) ce qui est attendu (pensez à la théorie de la forêt sombre).

Construire W3bstream comme le Middleware pour la Vérification DePIN

En réunissant tous les points de vue susmentionnés, nous défendons l'approche basée sur la preuve de validité et envisageons un protocole de vérification hors chaîne décentralisé, partagé et neutre (dans le cadre du réseau IoTeX) pour servir les réseaux DEPIN. Ce protocole assimile des mesures provenant d'une multitude de petits réseaux DEPIN et fournit des preuves de validité (par exemple, nous utilisons actuellement la preuve SNARK) aux contrats intelligents. Nous avons lancé la version de prévisualisation pour les développeurs de W3bstream en juillet et nous sommes désormais à plein régime pour livrer la version Mainnet Sprout comme prévu dans notre feuille de route, ce qui permet à la communauté d'utiliser des IOTX stakés pour participer au démarrage à froid du réseau à la fin du Q4 2023 ou au début du Q1 2024.

À une échelle plus large, W3bstream est un réseau de fragments géré par la communauté qui facilite divers projets DEPIN en déployant (et ensuite en mettant à jour) leurs "formules" de vérification sur la plate-forme. Ces "formules" peuvent être élaborées en Rust, Golang, C++, avec d'autres langages à venir. Voici à quoi elles ressemblent généralement :

Les preuves à divulgation nulle de connaissance présentent souvent des compromis de performance, notamment des temps de génération de preuves plus longs et des ressources computationnelles accrues, les rendant moins évolutives pour certaines applications du monde réel. Nous avons effectué des optimisations internes (y compris en lot) sur les zk-SNARKs pour traiter ces problèmes de performance, visant à fournir une génération de preuves plus rapide tout en conservant les avantages fondamentaux des protocoles à divulgation nulle de connaissance. Ci-dessous se trouve le résultat du benchmarking pour exécuter la génération de preuves batchées à partir de 1000 appareils simulés en utilisant les "formules" ci-dessus, avec et sans accélération GPU.

Benchmark de la portée de preuve de conduite

Notes : machines ordinaires - 12 threads CPU + 64 Go de RAM

Pionnier de la confiance dans le monde décentralisé de demain

L'infrastructure physique décentralisée est sur le point de redéfinir de multiples dimensions de notre monde. Cependant, libérer son plein potentiel dépend de la résolution des défis de vérification décentralisée, garantissant la sainteté et l'invulnérabilité de ces réseaux. Pour répondre à ces défis complexes, nous organisons la première conférence académique mondiale ce mois d'octobre, accueillant les meilleurs chercheurs et ingénieurs de domaines tels que le web3, la cryptographie, l'IoT, la sécurité/la confidentialité et l'économie, tous alignés vers une vision partagée. Nous invitons tous ceux qui sont passionnés par l'avancement de la couche de vérification DEPIN à collaborer avec nous de diverses manières. Contactez-nous à research@iotex.io.