W3bstream : un Rollup de couche 2 pour DePIN

La récente montée en puissance de l'espace DePIN dans le grand public de la crypto soulève plusieurs questions et défis, tels que la décentralisation, la scalabilité, la vérifiabilité, la gestion des identités et la confiance dans les données. L'article ci-dessous creusera certains de ces défis et les solutions proposées par l'équipe principale IoTeX à travers l'un de ses produits : W3bstream, une architecture évolutive centrée sur les Rollups pour le calcul de données hors chaîne.

Un Rappel sur DePIN

Le secteur DePIN (Réseaux d'Infrastructure Physiques Décentralisées) représente un changement significatif par rapport aux systèmes IoT traditionnels basés sur le Web2. Traditionnellement, les systèmes IoT étaient soit centrés sur le cloud, où les données des appareils physiques passent par une passerelle IoT vers le cloud pour leur traitement et leur stockage, soit centrés sur l'edge, impliquant des serveurs edge qui traitent les données plus près de la source. Ces architectures, bien que populaires dans les applications IoT, sont de nature centralisée ou hybride. DePIN, cependant, introduit une approche novatrice en intégrant trois technologies clés : Blockchain, IoT et Tokenomics. Cette combinaison permet la création de réseaux d'infrastructure et d'économies de machines depuis la base. La singularité de DePIN réside dans son modèle axé sur la communauté, encourageant la construction d'applications pour le bien commun, plutôt qu'un déploiement et une maintenance centralisés par une seule entreprise.
Il existe deux principales catégories au sein de DePIN :

1. Réseaux de Ressources Physiques (PRN) : Ces réseaux se concentrent sur le matériel dépendant de la localisation pour fournir des biens ou services uniques. Des exemples incluent la connectivité sans fil, l'intelligence géospatiale à travers des capteurs dans des zones spécifiques, et des applications de mobilité comme les services automobiles.
2. Réseaux de Ressources Numériques (DRN) : Les DRN incitent au déploiement de matériel pour des ressources fongibles, telles que la puissance de calcul, le stockage ou la bande passante. Cela permet de créer de grands réseaux pour des tâches telles que le rendu vidéo/audio ou des services de stockage, sans avoir besoin de matériel spécifique à un emplacement.

Le paysage DePIN est riche et varié, avec de nombreuses startups explorant différents aspects tels que le calcul décentralisé, le stockage, les réseaux de bande passante et les protocoles de communication. Quel que soit le type de catégorie auquel un certain projet appartient, les DePIN sont confrontés à des défis inhérents tels que l'établissement d'identités système, la gestion des problèmes de confidentialité et, notamment, la scalabilité.

Le Défi de Scalabilité de DePIN

Comme mentionné précédemment, la scalabilité émerge comme un défi crucial, dicté par les caractéristiques inhérentes des applications DePIN. Les DePIN englobent généralement de grands réseaux avec de nombreux appareils, générant et traitant d'énormes quantités de données. Parallèlement, l'intégration avec la technologie blockchain, tout en fournissant une base de confiance robuste, apporte son propre ensemble de limitations. Les blockchains, connues pour leur facteur de confiance élevé, souffrent d'une capacité de traitement limitée et de coûts de stockage des données élevés. Ce juxtaposition des vastes exigences en matière de réseau et de données face aux capacités de traitement contraintes des blockchains illustre clairement les défis de scalabilité auxquels sont confrontées les applications DePIN.

L'Approche Rollup d'Ethereum

L'approche qu'Ethereum a adoptée pour résoudre les problèmes de scalabilité est à travers une feuille de route centrée sur les Rollups. Cette stratégie repense fondamentalement la manière dont le traitement des données et l'exécution des transactions sont gérés dans un réseau blockchain.

1. Rollups de Couche 2 : Au lieu de dépendre uniquement de la Couche 1 (blockchain principale) pour tout le traitement et l'exécution des données, Ethereum propose de décharger une grande partie de ce travail vers des réseaux Rollup de Couche 2. Ces réseaux fonctionnent en parallèle de la blockchain principale mais gèrent les transactions de manière plus efficace.
2. Traitement par Lot des Transactions : Les réseaux de Couche 2 collectent les transactions du réseau de Couche 1 et les traitent par lots. En agrégeant plusieurs transactions, les réseaux Rollup peuvent les traiter plus efficacement que si elles étaient traitées individuellement sur la blockchain principale.
3. Génération et Validation de Preuves : Après le traitement des transactions dans un lot, les réseaux de Couche 2 génèrent une preuve. Cette preuve est une preuve cryptographique qui vérifie que toutes les transactions traitées dans un réseau Rollup sont valides. Le réseau de Couche 1, à travers un contrat intelligent, valide ensuite cette preuve. Ce processus garantit l'intégrité des transactions traitées sur les réseaux de Couche 2.
4. Couche 1 en tant qu'Ancre de Confiance : Malgré le déchargement du traitement des données vers un réseau de Couche 2, la blockchain de Couche 1 conserve son rôle d'ancre de confiance centrale. Elle y parvient en validant les preuves du réseau de Couche 2, maintenant ainsi l'intégrité et la sécurité globales du réseau.
5. Transitions d'État Efficaces : Avec le réseau de Couche 1 acceptant ces preuves et les transitions d'état résultantes, il peut traiter le lot de transactions de manière plus efficace. Cette approche réduit la charge sur le réseau de Couche 1, lui permettant de fonctionner plus efficacement en tant qu'ancre de confiance tout en traitant moins de tâches, mais plus critiques.

Cette approche centrée sur le Rollup permet à Ethereum d'améliorer considérablement sa scalabilité, et elle peut être adaptée à DePIN, avec certaines modifications.

W3bstream : Un Rollup de Couche-2 pour DePINs

Comme mentionné précédemment, une approche centrée sur le Rollup pourrait également être utilisée pour faire évoluer les applications DePIN. Cette approche est la philosophie centrale derrière W3bstream, le réseau de Couche-2 d'IoTeX spécifiquement conçu pour faire évoluer les projets DePIN, qui est capable de compresser (agréger) de grandes quantités de données hors chaîne en zk-preuves beaucoup plus petites et vérifiables pour déclencher des transactions sur chaîne. Regardons maintenant les principaux composants de cette approche :

1. Appareils Intelligents Souverains : Ceux-ci sont cruciaux pour la fiabilité des données dans les projets DePIN. Déployés dans le monde physique, ces appareils collectent non seulement des données mais attestent également de la fiabilité du processus de collecte de données.
2. Couche de Disponibilité des Données : Cette couche est responsable du stockage temporaire des données reçues des appareils. Elle peut être soit sur chaîne, soit hors chaîne et se distingue du stockage persistant en raison de sa nature à court terme.
3. Réseau de Séquenceur Décentralisé (DSN) : Le DSN atteint un consensus sur les données collectées auprès des appareils et les stocke dans la couche de disponibilité des données. Ce consensus est nécessaire pour effectuer des calculs significatifs.
4. Réseau Agrégateur Décentralisé : Responsable du calcul, ce réseau récupère les données par lots à partir de la couche de disponibilité des données et génère des zk-preuves agrégées pour un ou plusieurs appareils.
5. Réseau de Couche-1 : Les contrats intelligents sur une Couche-1 peuvent être utilisés comme vérificateurs pour valider les zk-preuves générées par les agrégateurs hors chaîne. De cette manière, la Couche-1 sert de fondation de confiance et de couche de règlement pour les applications DePIN. Le flux de haut niveau de cette architecture est le suivant :

Les sections ci-dessous analysent cette architecture plus en détail, en commençant par comment collecter des données de confiance, puis en expliquant le prétraitement des données et la disponibilité des données pour ensuite parler du processus de génération de preuves agrégées.

Collecte de Données de Confiance

Dans les applications DePIN, la collecte de données de confiance est cruciale et principalement réalisée par deux approches : TEE (Environnement d'Exécution de Confiance)-basée et preuve à divulgation nulle de connaissance (ZKP)-basée.

1. Approche Basée sur TEE : TEE garantit une collecte de données sécurisée en isolant le code de collecte de données dans une zone protégée de l'appareil. Elle inclut également l'attestation à distance, permettant une vérification externe du fonctionnement de l'appareil et de l'intégrité du code.
2. Approche Basée sur ZKP : Cette méthode permet aux appareils de prouver leur précision de collecte de données sans révéler les données sous-jacentes. Elle varie en fonction de la capacité de l'appareil, avec une génération de ZKP embarquée pour les appareils puissants et une génération à distance pour ceux plus contraints.

Combiner TEE et ZKP renforce la fiabilité de la collecte de données dans les applications DePIN, impactant l'efficacité globale des systèmes financiers associés. Les recherches futures visent à améliorer l'efficacité de ZKP, en particulier pour les appareils avec plusieurs capteurs ou des besoins complexes de collecte de données.

Prétraitement des Données et Disponibilité des Données

Le deuxième composant principal de l'architecture DePIN implique le prétraitement des données et l'assurance de leur disponibilité, facilité par un réseau de séquenceur décentralisé. Ce réseau sert plusieurs projets DePIN et aborde le défi de la diversité des appareils, en particulier en ce qui concerne les protocoles de communication.

Réseau de Séquenceur Décentralisé :

• Fonction : Effectue le prétraitement des données. À mesure que les données arrivent de divers appareils, le réseau les traite pour garantir uniformité et compatibilité.
• Processus de Vérification :
  Chaque nœud du réseau vérifie les données en deux étapes :
  1) Confirmer la validité du processus de collecte de données, soit en vérifiant le rapport d'attestation des appareils équipés de TEE, soit en vérifiant la preuve générée par l'appareil.
  2) Valider la signature de l'appareil pour garantir l'authenticité de la source des données.

Stockage et Disponibilité des Données :

• Post-Prétraitement : Après que les données soient prétraitées et qu'un consensus soit atteint au sein du réseau, elles sont stockées dans une couche de disponibilité des données spécifique au projet.
• Solutions de Stockage Personnalisables : Les projets ont la flexibilité de choisir leur couche de disponibilité des données préférée. Cela est rendu possible grâce à des adaptateurs de stockage configurables, permettant de stocker les données dans la couche de disponibilité des données sélectionnée.

Ce composant de l'architecture DePIN joue un rôle essentiel dans la normalisation et la sécurisation du flux de données provenant de divers appareils, garantissant qu'elles sont traitées de manière uniforme et stockées efficacement.

Agrégation des Preuves de Données

Le troisième composant de l'architecture DePIN se concentre sur la génération de preuves agrégées, un processus essentiel pour valider les calculs dans les projets DePIN.

Nœuds Agrégateurs et Pool de Computation:

• Le réseau est composé de nœuds agrégateurs formant un pool de ressources de calcul hors chaîne, partagé entre tous les projets DePIN.
• Ces nœuds sélectionnent périodiquement un agrégateur inactif, basé sur un moniteur d'état en chaîne, pour gérer les tâches de calcul pour un projet DePIN spécifique.

Exécution des Tâches par les Nœuds Agrégateurs:

• Le nœud sélectionné récupère des données à partir de la couche de disponibilité des données.
• Il effectue ensuite les calculs nécessaires pour le projet DePIN et génère une preuve.
• Cette preuve est envoyée à un contrat intelligent de couche 1 pour vérification, après quoi le nœud revient à l'état inactif.

Pour que cette preuve agrégée soit générée, le système utilisera un circuit d'agrégation en couches, composé des composants suivants :

• Circuit de Compression de Données: Fonctionne comme un arbre de Merkle, validant que toutes les données collectées proviennent d'une racine spécifique d'arbre de Merkle.
• Circuit de Vérification par Lot de Signatures: Vérifie la validité des données provenant des appareils par lot, chaque lot associé à une signature.
• Circuit de Computation DePIN: Prouve que la logique de calcul spécifique pour un projet DePIN, tel que la vérification des pas dans un projet de santé, ou l'énergie produite dans une centrale solaire, est correctement exécutée.
• Circuit d'Agrégation des Preuves: Agrège toutes les preuves en une seule pour la validation finale par le contrat intelligent de couche 1.

L'agrégation de preuves de données est critique pour garantir l'intégrité et la vérifiabilité des calculs dans les projets DePIN, fournissant une méthode fiable et efficace pour valider les calculs hors chaîne et le traitement des données.

Conclusion

En conclusion, W3bstream contribue à l'évolutivité de DePIN en gérant efficacement le pré-traitement des données via son réseau de séquenceurs décentralisés. Il supporte la génération de preuves agrégées, qui est essentielle pour valider des calculs complexes sur des réseaux à grande échelle. En facilitant les calculs hors chaîne et en fournissant un mécanisme robuste pour la vérification des preuves en chaîne, W3bstream améliore considérablement le débit et l'efficacité des applications DePIN. Bien que l'orchestration de W3bstream repose sur la blockchain IoTeX, qui reste le choix parfait pour les nouvelles applications DePIN en raison de sa rapidité, de sa sécurité et de son rapport coût-efficacité, W3bstream peut supporter tout projet DePIN existant sur n'importe quelle blockchain. Son architecture permet une infrastructure évolutive et sécurisée, en faisant un composant vital dans le plus large écosystème des réseaux décentralisés.

Cet article est basé sur le travail de recherche de Prof. Xinxin Fan, responsable de la recherche chez IoTeX, et de Lei Xiu de l'Université d'État de Kent. Pour plus d'informations, n'hésitez pas à consulter l'article de recherche complet ici.

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