Vérification Décentralisée dans DePIN

Par Raullen Chai, co-fondateur et PDG d'IoTeX, et Andrew Law, chercheur chez IoTeX

Les Réseaux d'Infrastructure Physique Décentralisés (DePIN) représentent un changement transformationnel dans notre manière d'envisager et d'organiser les systèmes du monde réel, englobant des domaines tels que l'énergie, le transport et les télécommunications. En entrelaçant blockchains, cryptomonnaies et contrats intelligents avec des dispositifs intelligents, les DePIN offrent la capacité de coordonner l'infrastructure physique de manière décentralisée et pair à pair. Comme l'a souligné Guy Woullet de a16z, le succès des DePIN dépend de la résolution d'un défi crucial : garantir une vérification de confiance des nœuds de service géographiquement dispersés sans avoir besoin d'une autorité centrale. Dans cet article, nous plongeons dans le sujet de la vérification décentralisée au sein des DePIN, analysons de manière critique les solutions existantes et suggérons des avenues innovantes qui promettent une évolutivité sans compromettre la sécurité et la décentralisation.

L'essor des DePIN

Les DePIN tirent parti de la puissance des blockchains et des contrats intelligents pour façonner des marchés ouverts pour des services ancrés dans l'infrastructure physique. Considérons un DePIN basé sur l'énergie : des propriétaires de maisons équipés de panneaux solaires pourraient potentiellement produire de l'électricité et canaliser l'énergie excédentaire vers leurs voisins. Facilitées 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 à des micro-réseaux, qui rendent possible pour les maisons de distribuer de l'énergie de manière fiable et directe entre pairs, éliminant ainsi le besoin d'entreprises de services publics en tant qu'intermédiaires. Ces réseaux d'infrastructure physique décentralisés sont en plein essor dans divers secteurs en 2023. En écartant les gardiens centralisés, les DePIN sont en passe d'améliorer l'efficacité, de réduire les coûts, d'amplifier l'accessibilité et de donner plus de pouvoir aux individus.

L'Anatomie des DePIN

Les infrastructures physiques décentralisées reposent sur une pile technologique sophistiquée qui fusionne matériel, connectivité, middleware, contrats intelligents basés sur 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 : une collection 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 du bon fonctionnement des nœuds de service. Il garantit une représentation et un rapport précis des activités et événements du monde réel des nœuds de service vers les contrats intelligents, qui peuvent être étroitement liés au fonctionnement des tokens DEPIN.
• Utilisateurs finaux : une communauté de personnes ou d'entreprises qui utilisent réellement les utilitaires fournis 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 des nœuds en suivant certains indicateurs, l'absence desquels pourrait conduire, comme mentionné ici :

1. Auto-traitement : Les participants pourraient exploiter le réseau en utilisant les services de l'infrastructure qu'ils possèdent, accumulant des frais et des récompenses. Par exemple, une entité énergétique pourrait simuler l'achat d'énergie auprès de ses propres réserves. Étant donné des subventions suffisantes ou des récompenses initiales, l'auto-traitement devient lucratif.
2. Fournisseurs paresseux : Les fournisseurs d'infrastructure pourraient promettre des services mais soit se rétracter sur 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 fallacieuses qui s'alignent sur les intérêts financiers du fournisseur. Des comportements non régulés peuvent déstabiliser les incitations économiques de DePIN. La confiance et l'efficacité du réseau diminuent, conduisant soit à une "tragédie des communs" avec des fournisseurs cherchant un gain personnel, soit à une centralisation du pouvoir. Dans les deux cas, l'objectif d'une infrastructure décentralisée, dirigée par les pairs, est sapé.

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 assurer la sécurité, chaque nœud du réseau mondial Bitcoin jouant un rôle dans la vérification. La vérification DEPIN utilise de nos jours une éthique similaire. Ici, les nœuds de service produisent une utilité, et un autre ensemble distinct de nœuds (en tant que protocole middleware) intervient pour approuver cette utilité, garantissant la validité et l'authenticité du travail effectué dans le monde physique. Cela peut être caractérisé comme "preuve de travail utile" ou "preuve de travail physique". Les deux systèmes soulignent l'importance du consensus décentralisé dans la promotion de la confiance et de la sécurité.

Concevoir et architecturer un tel middleware n'est pas trivial. Voyons cela sous différents angles.

Perspective A : Technologie réalisable pour la vérification

Une vérification réussie dans un DePIN est atteinte si les deux conditions suivantes sont remplies 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, tel que la connectivité WiFi ou la collecte de 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. Un certain montant de calcul hors-chaîne est nécessaire pour les traiter, ce qui doit être fiable, par exemple, pas de triche. Prenons le cas d'un DePIN axé sur l'énergie : il est crucial que le contrat intelligent fasse confiance à un compteur intelligent mesurant correctement la génération d'énergie solaire AINSI QUE le middleware vérifiant peut-être 6 heures de mesures provenant de ce compteur intelligent, afin d'initier des paiements en chaîne en crypto.

Pour réaliser les deux, nous pouvons esquisser la technologie actuelle qui est réalisable, comme ci-dessous.

Perspective B : Regrouper la Technologie de Vérification de manière Décentralisée

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

• La couche matérielle doit être minimisée (pour assurer une accessibilité et une décentralisation généralisées) 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 analogique au célèbre "Fat Protocol" de sorte que nous souhaitons que la couche matérielle soit mince tandis que le middleware soit épais.

• Le middleware fonctionne comme une blockchain publique dans les domaines suivants
• être sans permission et neutre (open-source, opéré par la communauté)
• être transparent et sans confiance, offrant une haute sécurité, capable de résister à des attaques sophistiquées motivées par l'argent.
• être capable d'exécuter divers types de vérification pour différents scénarios, nécessitant donc une programmabilité (pensez aux contrats intelligents) intégrée.
• Être capable d'ériger les fonctionnalités nécessaires depuis les couches matérielles ou d'application lorsque c'est nécessaire.

Perspective C : Modes de Vérification

Dans différents scénarios, les nœuds de service fonctionnent différemment. Par exemple, dans le contexte du stockage de fichiers, les nœuds de service travaillent toujours (pour stocker ce qui a été promis), donc une vérification aléatoire est naturelle, tandis que dans le contexte de DIMO (collecte de données de véhicules), un nœud de service (dispositif monté sur la voiture) télécharge des mesures toutes les 10 minutes, donc la vérification peut s'appliquer à toutes les mesures. Par conséquent, le middleware a différents modes de vérification s'adaptant à des applications DEPIN distinctes :

• Processeur de données : c'est le mode le plus courant où les nœuds de service ou dispositifs envoient essentiellement toutes les mesures au middleware, qui les 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 solide, il peut "échantillonner" tous les nœuds de service). Après avoir obtenu les réponses des nœuds, il passe en mode processeur de données. L'approche d'échantillonnage aléatoire utilisée dans Filecoin entre dans cette catégorie.
• Observateur passif : c'est la manière la moins courante où le middleware observe 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 Middleware pour la Vérification DePIN

En rassemblant toutes les perspectives mentionnées ci-dessus, nous soutenons l'approche basée sur la preuve de validité et envisionnons un protocole de vérification off-chain 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 pour l'instant une preuve SNARK) aux contrats intelligents. Nous avons lancé la version de prévisualisation pour les développeurs de W3bstream en juillet et nous sommes maintenant à pleine vitesse pour livrer la version Mainnet Sprout comme prévu dans notre feuille de route, ce qui permet aux membres de la communauté d'utiliser des IOTX mis en jeu 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 shard opéré par la communauté qui facilite divers projets DEPIN dans le déploiement (et par la suite mise à jour) de leurs "formules" de vérification sur la plateforme. Ces "formules" peuvent être élaborées en Rust, Golang, C++, avec plus de langues à être supportées bientôt. Voici à quoi elles ressemblent généralement :

Les preuves à connaissance nulle sont souvent accompagnées de compromis en termes de performance, notamment des temps de génération de preuves plus longs et des ressources informatiques accrues, les rendant moins évolutives pour certaines applications réelles. Nous avons effectué des optimisations en interne (y compris des traitements par lots) sur les zk-SNARKs pour traiter ces problèmes de performance, visant à offrir une génération de preuves plus rapide tout en conservant les avantages fondamentaux des protocoles à connaissance nulle. Ci-dessous se trouvent les résultats des tests de performance pour exécuter la génération de preuves par lots à partir de 1000 appareils simulés utilisant les "formules" ci-dessus, avec et sans accélération GPU.

Évaluation de la portée de preuve de conduite

Remarques : machines régulières - CPU 12 cœurs + 64 Go de RAM

Pionnier de la confiance dans le monde décentralisé de demain

L'infrastructure physique décentralisée est sur le point de redéfinir plusieurs dimensions de notre monde. Cependant, débloquer tout son potentiel dépend de la résolution des défis de vérification décentralisée, garantissant la sainteté et l'invulnérabilité de ces réseaux. Pour relever ces défis complexes, nous organisons la première conférence académique mondiale ce mois d'octobre, accueillant des chercheurs et ingénieurs de premier plan provenant de domaines tels que le web3, la cryptographie, l'IoT, la sécurité/la vie privée et l'économie, tous alignés vers une vision commune. Nous invitons tous ceux qui sont passionnés par l'avancement du niveau de vérification DEPIN à collaborer avec nous de diverses manières. Contactez-nous à research@iotex.io.