DePINにおける分散型検証

IoTeXの共同創設者兼CEOラウレン・チャイとIoTeX研究者アンドリュー・ローによる

分散型物理インフラネットワーク（DePIN）は、エネルギー、輸送、通信などの現実世界のシステムを想像し、組織する方法において変革的なシフトを示しています。ブロックチェーン、暗号通貨、スマートコントラクトとスマートデバイスを絡み合わせることにより、DePINは物理インフラを分散型かつピアツーピアの形で調整する能力を提供します。a16zのガイ・ウーレが指摘しているように、DePINの成功は、中央権限なく地理的に分散したサービスノードの信頼できる検証を確保するという重要な課題に依存しています。この記事では、DePIN内の分散型検証のトピックに深く掘り下げ、既存のソリューションを批判的に分析し、安全性と分散性を損なうことなくスケーラビリティを約束する革新的な道を提案します。

DePINの台頭

DePINは、ブロックチェーンとスマートコントラクトの力を利用して、物理インフラに根ざしたサービスのオープンマーケットプレイスを形成します。エネルギーを基盤としたDePINを考えてみてください：太陽光発電パネルを装備した住宅所有者は、電気を生産し、余剰エネルギーを隣人に供給する可能性があります。ブロックチェーンによって支援され、スマートコントラクトを介して実行されるこれらのエネルギー取引は、自律的に文書化され、決済されます。このプロセスの中心には、信頼できる直接的なピアツーピア形式でエネルギーを分配できるIoTデバイス（バッテリーやその他のマイクログリッド接続ハードウェア）があり、公共料金会社を中介者から排除します。これらの分散型物理インフラネットワークは、2023年にさまざまな分野で注目を集めています。中央集権的なゲートキーパーを排除することで、DePINは効率を向上させ、コストを削減し、アクセス性を高め、個人により大きな権限を与えることが期待されています。

DePINの構成

分散型物理インフラは、ハードウェア、接続性、ミドルウェア、ブロックチェーンベースのスマートコントラクト、Webまたはモバイルアプリを融合させた高度な技術スタックに依存しています。

典型的なDePINネットワーク（DIMOやHelium、WiFimapやGeoDnetを想像してください）に焦点を当てると、通常、3つの役割があります：

• サービスノード: サービスやユーティリティを提供するサーバーやデバイスの集合、例としてWiFi/5G、環境データ収集、エネルギー生産があります。
• ミドルウェア: サービスノードが期待通りに機能しているかどうかを検証することに主に焦点を当てた層です。これは、サービスノードからスマートコントラクトへの現実世界の活動やイベントの正確な表現と報告を確保し、どうDEPINトークンが機能するかに密接に関連しています。
• エンドユーザー: 実際にサービスノードやデバイスが提供するユーティリティを使用する一般の人々や企業のコミュニティです。これらの中で、ミドルウェアは、特定のメトリックを追跡することによってノードからのサービスやユーティリティの質を測定する責任を負っており、その欠如は、ここに記載されているように、問題を引き起こす可能性があります：

1. 自己取引：参加者は、所有するインフラからサービスを利用することで、手数料や報酬を得るためにネットワークを悪用する可能性があります。例えば、エネルギー企業が自社の備蓄からエネルギーを購入しているとシミュレーションすることができます。十分な補助金や初期ブロック報酬が与えられると、自己取引は利益をもたらします。
2. 怠慢な提供者：インフラの提供者はサービスを約束することがありますが、約束を破ったり、質の低いサービスを提供することがあります。厳格な検証システムがない場合、ユーザーは苦境に立たされます。
3. 悪意のある提供者：最初の二つに比べてまれですが、悪意のある存在がインフラを操作し、ユーザーに提供者の経済的利益に合致する偽のセンサーデータを受け入れさせる可能性があります。制御されていない行動はDePINの経済的インセンティブを不安定にすることがあります。信頼とネットワークの効率が低下し、提供者が自己利益を求める「共有地の悲劇」や権力の集中につながることがあります。いずれの場合も、分散型でピア主導のインフラの目的は損なわれます。

検証のためのミドルウェア

ビットコインのプルーフ・オブ・ワークは、初期のDEPIN検証の形態です。これは、セキュリティを確保するために大量のハッシュパワーを利用し、グローバルなビットコインネットワークのすべてのノードが検証に関与します。現在のDEPIN検証は類似の理念を採用しています。ここでは、サービスノードがユーティリティを生成し、異なるセットのノード（ミドルウェアプロトコルとして）がこのユーティリティを支持し、物理的世界で行われた作業の妥当性と真正性を確認します。これは「有用な作業のプルーフ」または「物理的作業のプルーフ」と特徴付けられます。両方のシステムは、信頼とセキュリティを育むための分散型コンセンサスの重要性を強調しています。

このようなミドルウェアを設計・構築することは簡単ではありません。異なる視点から見てみましょう。

視点A: 検証のための実現可能な技術

DePINでの成功した検証は、以下の二つが同時に達成される場合に実現されます：

1. 測定の真正性と完全性：サービスノードやデバイスからの測定は、その作業状態を示すものでなければならず（例えば、WiFi接続の提供や環境データの収集などの特定のサービスを提供したこと）、真正かつ改ざんされていないものでなければなりません。
2. オフチェーン計算の信頼性：通常、測定は検証目的で直接使用することはできません。測定を処理するためには一定量のオフチェーン計算が必要で、信頼できるものでなければなりません、つまり不正行為はないことが求められます。エネルギーに焦点を当てたDePINのケースを考えてみましょう：スマートメーターが正しく太陽光発電を測定していること、さらにミドルウェアがこのスマートメーターからの測定を約6時間確認することが重要です。これにより、暗号でのオンチェーン支払いを開始することができます。

両方を達成するために、実現可能な現在の技術を以下のようにマッピングすることができます。

視点B: 分散型での検証技術のパッケージ化

実現可能な検証技術について十分に理解した後、それを分散型プロトコルにパッケージ化する方法について考える必要があります。以下にいくつかの考えを示します：

• ハードウェア層は最小化する必要があります（広範なアクセシビリティと分散型を確保するために）、多くの機能は<強>ミドルウェアに埋め込む必要があります、これによりスタックの他の領域での集中リスクを回避するのを助けるために。これは有名な「ファットプロトコル」と類似しており、ハードウェア層を薄く、ミドルウェアを厚くしたいというものです。

• ミドルウェアは、以下の点でパブリックブロックチェーンのように機能します。
• 許可なしで中立であること（オープンソース、コミュニティ運営）
• 透明性と信頼性を持ち、高いセキュリティを提供し、金融的動機による高度な攻撃に耐えることができる。
• さまざまなシナリオに対するさまざまなタイプの検証を実行できるように、プログラマビリティ（スマートコントラクトを考えてください）が埋め込まれている必要があります。
• 必要に応じてハードウェアまたはアプリケーション層から必要な機能を担保できること。

視点C: 検証モード

異なるシナリオにおいて、サービスノードは異なる動作をします。例えば、ファイルストレージの文脈では、サービスノードは常に（約束されたものを保存するために）動作しているため、スポットチェックが自然です。一方、DIMO（車のデータ収集）の文脈では、サービスノード（車に取り付けられたデバイス）が10分ごとに測定値をアップロードするため、すべての測定値に対する検証が適用されることがあります。したがって、ミドルウェアには異なる検証モードがありますが、異なるDEPINアプリケーションに適応します：

• データプロセッサ: これは最も一般的なモードで、サービスノードまたはデバイスが基本的にすべての測定値をミドルウェアに送信し、それがそれらを検証し処理してスマートコントラクトの証明を生成します。
• プロアクティブインテグレーター: ミドルウェアプロトコルは、サービスノードのサブセットを選択して挑戦します（なお、ミドルウェアプロトコルが十分に強力であれば、すべてのサービスノードを「サンプリング」することが可能です）。ノードからの応答を得た後、それはデータプロセッサーモードに移行します。Filecoinで使用されるランダムサンプリングアプローチは、このカテゴリーに該当します。
• パッシブウォッチャー: これはミドルウェアがノードを静かに監視し、期待通りに（あるいはしない）動作している証拠を探そうとする最も一般的でない方法です（ダークフォレスト理論を考えてください）。

DePIN検証のためのミドルウェアとしてのW3bstreamの構築

前述のすべての視点をまとめると、私たちは有効性証明に基づくアプローチを推進し、分散型、共有型、中立的なオフチェーン検証プロトコルを構想します（IoTeXネットワークの一部として）DEPINネットワークにサービスを提供します。このプロトコルは、複数の小さなDEPINネットワークから測定値を吸収し、スマートコントラクトに有効性証明（例：現在はSNARK証明を使用）を提供します。私たちは7月にW3bstreamの開発者プレビュー版を公開し、現在は計画されたロードマップに従ってMainnet Sproutバージョンの提供に全速力で取り組んでおり、2023年Q4後半または2024年Q1初めにコミュニティがステーキングしたIOTXを使用してネットワークのコールドスタートに参加できるようにします。

より広いスケールで見ると、W3bstreamはコミュニティ運営のシャードネットワークであり、さまざまなDEPINプロジェクトがその検証「式」をプラットフォームに配置（およびその後の更新）することを促進します。これらの「式」はRust、Golang、C++で作成でき、今後他の言語もサポートされる予定です。彼らの一般的な外観は次のようになります：

ゼロ知識証明は、証明生成時間の延長や計算リソースの増加を含むパフォーマンストレードオフを伴うことが多く、一部の実世界のアプリケーションにはスケーラビリティが低くなります。私たちは、パフォーマンスの問題に対処するために、zk-SNARKsの上に（バッチを含む）社内で最適化を行い、ゼロ知識プロトコルの基本的な利点を保持しながら、より迅速な証明生成を提供することを目指しています。以下は、上記の「式」を使用して1000台のシミュレーションデバイスからバッチ証明生成を実行したベンチマーク結果です。GPUアクセラレーションの有無による比較です。

ドライブ範囲の証明のベンチマーク

注：通常のマシン - 12スレッドCPU + 64GB RAM

明日の分散型世界における信頼の先駆け

分散型物理インフラは、私たちの世界の複数の次元を再形成する瀬戸際にあります。しかし、その潜在能力を最大限に引き出すには、分散検証の課題に対処し、これらのネットワークの神聖さと不可侵性を確保する必要があります。これらの複雑な課題に対処するために、私たちは
世界初の学術会議を今月開催し、web3、暗号学、IoT、セキュリティ/プライバシー、経済学などの分野から最高の研究者やエンジニアを歓迎し、共通のビジョンに向けて一致団結しています。私たちは、DEPIN検証レイヤーの進展に情熱を注ぐすべての方々に、多様な形で私たちと協力することをお勧めします。research@iotex.ioまでご連絡ください。