W3bstream : un Rollup de couche 2 pour DePIN

La récente ascension de l'espace DePIN dans le mainstream de la crypto soulève plusieurs questions et défis, tels que la décentralisation, l'évolutivité, la vérifiabilité, la gestion des identités et la confiance des données. L'article ci-dessous examinera certains de ces défis et les solutions proposées par l'équipe centrale d'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 Physique Décentralisée) représente un changement significatif par rapport aux systèmes IoT basés sur le Web2 traditionnels. Traditionnellement, les systèmes IoT étaient soit centrés sur le cloud, où les données des dispositifs physiques passent par une passerelle IoT vers le cloud pour traitement et 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 centralisées ou hybrides par nature. DePIN, cependant, introduit une approche novatrice en intégrant trois technologies clés : Blockchain, IoT, et Tokenomics. Cette combinaison permet de créer des réseaux d'infrastructure et des économies de machine à partir du niveau de base. La spécificité de DePIN réside dans son modèle axé sur la communauté, encourageant la création d'applications pour le bien commun, plutôt que le déploiement et la maintenance centralisés par une seule entreprise.
Il existe deux catégories principales au sein de DePIN :

1. Réseaux de Ressources Physiques (PRNs) : Ces réseaux se concentrent sur des matériels dépendants de l'emplacement pour livrer des biens ou services uniques. Des exemples incluent la connectivité sans fil, l'intelligence géospatiale via des capteurs dans des zones spécifiques, et des applications de mobilité comme les services automobiles.
2. Réseaux de Ressources Numériques (DRNs) : Les DRNs incitent au déploiement de matériels 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 comme le rendu vidéo/audio ou les services de stockage, sans avoir besoin de matériels spécifiques à un emplacement.

Le paysage DePIN est riche et varié, de nombreuses startups explorant différents aspects tels que l'informatique décentralisée, le stockage, les réseaux de bande passante et les protocoles de communication. Quelles que soient les catégories dans lesquelles un certain projet s'inscrit, les DePIN présentent des défis inhérents tels que l'établissement d'identités système, le traitement des problèmes de confidentialité et, notamment, l'évolutivité.

Le défi de l'évolutivité de DePIN

Comme mentionné précédemment, l'évolutivité émerge comme un défi crucial, motivé par les caractéristiques inhérentes des applications DePIN. Les DePIN englobent généralement des réseaux à grande échelle avec de nombreux dispositifs, générant et traitant d'énormes quantités de données. En même temps, l'intégration avec la technologie blockchain, tout en fournissant une base de confiance robuste, entraîne son propre ensemble de limitations. Les blockchains, connues pour leur facteur de confiance élevé, souffrent de capacités de traitement limitées et de coûts de stockage de données élevés. Cette juxtaposition des exigences étendues du réseau et des données par rapport aux capacités de traitement limitées des blockchains illustre clairement les défis d'évolutivité auxquels sont confrontées les applications DePIN.

L'approche des Rollups Ethereum

L'approche qu'Ethereum a adoptée pour s'attaquer aux problèmes d'évolutivité 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 s'appuyer uniquement sur la Couche 1 (blockchain principale) pour tout le traitement des données et l'exécution, Ethereum propose de décharger une grande partie de ce travail sur des réseaux de Rollup de Couche 2. Ces réseaux fonctionnent en parallèle avec la blockchain principale mais gèrent les transactions de manière plus efficace.
2. Traitement par Lots 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 de Rollup peuvent les traiter plus efficacement que si elles étaient gérées individuellement sur la blockchain principale.
3. Génération et Validation de Preuves : Après 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 de Rollup sont valides. Le réseau de Couche 1, via un contrat intelligent, valide ensuite cette preuve. Ce processus garantit l'intégrité des transactions traitées sur les réseaux de Couche 2.
4. Couche 1 comme 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 principale. Elle le fait 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 plus efficacement. 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 gérant moins, mais des tâches plus critiques.

Cette approche centrée sur les Rollups 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 les Rollups pourrait également être utilisée pour mettre à l'échelle les applications DePIN. Cette approche est la philosophie de base derrière W3bstream d'IoTeX, le réseau de couche-2 d'IoTeX spécifiquement conçu pour mettre à l'échelle les projets DePIN, capable de compresser (agréger) de grandes quantités de données hors chaîne en zk-proofs beaucoup plus petits et vérifiables pour déclencher des transactions sur chaîne. Examinons maintenant les principaux composants d'une telle approche :

1. Appareils intelligents souverains : Ces appareils sont cruciaux pour la fiabilité des données dans les projets DePIN. Déployés dans le monde physique, ces dispositifs 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 on-chain ou off-chain et est différente du stockage persistant en raison de sa nature à court terme.
3. Réseau de séquenceurs décentralisés (DSN) : Le DSN atteint un consensus sur les données collectées à partir des appareils et les stocke dans la couche de disponibilité des données. Ce consensus est nécessaire pour effectuer des calculs significatifs.
4. Réseau d'agrégateurs décentralisés : Responsable du calcul, ce réseau récupère les données par lots à partir de la couche de disponibilité des données et génère des zk-proofs agrégés pour un ou plusieurs appareils.
5. Réseau de couche-1 : Des contrats intelligents sur une couche-1 peuvent être utilisés comme vérificateurs pour vérifier les zk-proofs générés par des agrégateurs hors chaîne. De cette façon, 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 en détail, en commençant par comment collecter des données fiables, puis en expliquant le prétraitement des données et la disponibilité des données, pour ensuite parler du processus de génération de preuve agrégée.

Collecte de données fiables

Dans les applications DePIN, la collecte de données fiables est cruciale et réalisée principalement par deux approches : TEE (Trusted Execution Environment) et preuve à divulgation nulle de connaissance (ZKP).

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

La combinaison de TEE et ZKP améliore 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 dotés de plusieurs capteurs ou ayant des besoins de collecte de données complexes.

Prétraitement des données et disponibilité des données

Le deuxième composant principal de l'architecture DePIN implique le prétraitement des données et l'assurance de la disponibilité des données, facilitée par un réseau de séquenceurs décentralisés. Ce réseau dessert plusieurs projets DePIN et s'attaque au défi de la diversité des appareils, en particulier en matière de protocoles de communication.

Réseau de séquenceurs décentralisés :

• Fonction : Effectue le prétraitement des données. Au fur et 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 activés par TEE, soit en vérifiant la preuve générée par l'appareil.
  2) Valider la signature de l'appareil pour assurer l'authenticité de la source de données.

Stockage et disponibilité des données :

• Post-prétraitement : Après que les données aient été prétraitées et le consensus 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 facilité par 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 critique dans la normalisation et la sécurisation du flux de données provenant de divers dispositifs, garantissant qu'il est traité de manière uniforme et stocké efficacement.

Agrégation de 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 Calcul :

• Le réseau est constitué de nœuds agrégateurs formant un pool de ressources informatiques hors chaîne, partagé entre tous les projets DePIN.
• Ces nœuds sélectionnent périodiquement un agrégateur inactif, basé sur un moniteur de statut 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 un état inactif.

Pour que cette preuve agrégée soit générée, le système utilisera un circuit d'agrégation en couches, composé des éléments 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 des appareils par lot, chacune associée à une signature.
• Circuit de Calcul DePIN : Prouve que la logique de calcul spécifique pour un projet DePIN, comme la vérification des compteurs de pas dans un projet de santé, ou l'énergie produite dans une centrale solaire, est correctement exécutée.
• Circuit d'Agrégation de Preuves : Agrège toutes les preuves en une seule pour 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 au sein des 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 prétraitement des données via son réseau de séquenceurs décentralisés. Il supporte la génération de preuves agrégées, essentielle pour valider des calculs complexes à travers 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, sécurité et rentabilité, 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 l'écosystème plus large des réseaux décentralisés.

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

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