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の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、通信などの分野にわたるリアルワールドシステムの考え方と組織の仕方に変革的なシフトをもたらします。ブロックチェーン、暗号通貨、スマート契約とスマートデバイスを絡めることで、DePINは物理インフラを分散型かつピアツーピアで調整する能力を提供します。a16zのガイ・ウーレが指摘したように、DePINの成功は、中央権限なしで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の解決にかかっています。この記事では、DePIN内の分散型検証について掘り下げ、既存の解決策を批判的に分析し、セキュリティ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アプローチを提案します。

DePINの台頭

DePINは、物理インフラに根ざしたサービスのためのオープンマーケットプレイスを構築するために、ブロックチェーンとスマート契約の力を活用します。エネルギーに基づくDePINを考えてみましょう：太陽光パネルを備えた住宅所有者は、電力を生産し、余剰エネルギーを隣人に送ることができる可能性があります。ブロックチェーンによって容易にされ、スマート契約によって実行されるこれらのエネルギー取引は、自律的に記録され、決済されます。このプロセスの中心には、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などのIoTデバイスがあり、家庭が信頼できる直接のピアツーピア方式でエネルギーを配布できるようになり、公共料金会社を仲介者として排除します。これらの分散型物理インフラネットワークは、2023年にさまざまなセクターで注目を集めています。中央集権的なゲートキーパーを避けることにより、DePINは効率を高め、コストを削減し、アクセス可能性を拡大し、個人により大きな権限を与える準備が整っています。

DePINの解剖

分散型物理インフラは、ハードウェア、接続、ミドルウェア、ブロックチェーンベースのスマート契約、ウェブまたはモバイルアプリを融合させた高度なテクノロジースタックに依存しています。

典型的なDEPINネットワーク（DIMO、Helium、WiFimap、GeoDnetを考えてみてください）にズームインすると、通常は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まり（例：WiFi/5G、環境データの収集、エネルギー生産）。
• 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レイヤー。これは、サービスノードからスマート契約への現実の活動やイベントの正確な表現と報告を保証し、DEPINトークンの機能と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ビジネスのコミュニティ。中でも、ミドルウェアは、ノードからのサービスやユーティリティの品質を特定の指標を追跡して測定する責任があります。これが欠如すると、前述のこちらのような問題が生じる可能性があります：

1. 自己取引: 参加者は、自身が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ことによってネットワークを悪用するかもしれません。例えば、エネルギー企業が自身の備蓄からエネルギーを購入するふりをすることが考えられます。十分な補助金や初期ブロック報酬があれば、自己取引は利益をもたらします。
2. 怠惰なプロバイダー: インフラストラクチャの提供者はサービスを約束するかもしれませんが、その約束を破ったり、質の低いサービスを提供したりすることがあります。厳格な検証システムがない場合、ユーザーは選択肢がありません。
3. 悪意のあるプロバイダー: 最初の二つに比べると稀ですが、悪意のある企業がインフラを操作し、プロバイダーの財務的利益に合致する虚偽のセンサーデータをユーザーに受け入れさせる可能性があります。制御の利かない行動は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は低下し、プロバイダーが自己利益を追求する「コモンズの悲劇」や権力の集中を招くことになります。どちらの場合でも、分散型の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、DEPIN検証の初期の形態です。それは、セキュリティを確保するために膨大な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内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み出し、別の特定のノード（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承認するために介入し、物理的な世界で行われた作業の有効性と真正性を確保します。これは「有用な作業の証明」または「物理的作業の証明」として特徴付けることができます。両システムは、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。

そのようなミドルウェアの設計とアーキテクチャは容易ではありません。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における成功した検証は、以下の2点を同時に達成することで実現されます：

1. 測定値の真正性と完全性：サービスノードやデバイスからの測定値はその作業状況を表し（例えば、WiFi接続を提供する、もしくは環境データを収集するサービスを提供した場合）、真正であり、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、測定値は直接検証目的で使用することはできません。それ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あり、それは信頼できるものでなければなりません。例えば、エネルギーに焦点を当てたDePINの場合、スマートメーターが太陽光発電の生成を正確に測定することをスマートコントラクトが信頼することが重要であり、さらにミドルウェアがこのスマートメーターからの6時間分の測定値を検証する必要があります。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可能となります。

両方を達成するために、現在の実現可能な技術を以下にマッピングできます。

視点B: 分散型の方法で検証技術をパックする

実現可能な検証技術を十分に理解した後、分散型プロトコルにそれを組み込む方法を考えなければなりません。以下はいくつかの考慮事項です：

• ハードウェア層は最小限に抑える必要があります（幅広いアクセシビリティと分散化を確保するため）そして多くの機能はミドルウェアに記載されるべきです、スタックの他の領域での集中リスクを回避するために。これは著名な「ファットプロトコル」に類似しており、ハードウェア層は薄く、ミドルウェアは厚くすることを目指しています。

• ミドルウェアは次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
• 許可不要で中立性があり（オープンソース、コミュニティ運営）
• 透明で信頼が不要、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のためにさまざまなタイプの検証を実行できる必要があるため、埋め込まれたプログラマビリティ（スマートコントラクトについて考える）を必要とします。
• 必要に応じてハードウェアやアプリケーション層から必要な機能を荘厳できること。

視点C: 検証モード

さまざまなシナリオにおいて、サービスノードは異なる方法で機能します。たとえば、ファイルストレージの文脈では、サービスノードは常に作業を行っています（約束されたものを保存するため）ので、スポットチェックが自然です。一方、DIMO（車両データ収集）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）は10分ごとに測定結果をアップロードするため、すべての測定値に対して検証が適用される可能性があります。したがって、ミドルウェアは異なるDEPINアプリケーションに適応する異なる検証モードを持っています:

• データプロセッサ: これは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、それを検証および処理してスマートコントラクトの証明を生成する最も一般的なモードです。
• 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、アクティブにサービスノードのサブセットを選択して挑戦します（ミドルウェアプロトコルが十分強力であれば、すべてのサービスノードを「サンプリング」できることに注意）。ノードからの応答を受け取った後、データプロセッサモードに入ります。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ただ静かにノードを監視し、予想通りの動作をしている（していない）証拠を見つけよ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統合すると、私たちは有効性証明ベースのアプローチを推進し、分散型で共有され中立的なオフチェーン検証プロトコルを想像します（IoTeXネットワークの一部として）で、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、数多くの小さなDEPINネットワークからの測定値を統合し、有効性証明（現在はSNARK証明を使用）をスマートコントラクトに提供します。私たちは7月にW3bstreamの開発者プレビュー版を発表し、現在、2023年第4四半期の遅い時期または2024年第1四半期の初めにネットワークのコールドスタートに参加するために、コミュニティがステーキングしたIOTXを使用できるように、計画通りにメインネットスプラウト版を提供する準備が整っています。

より広い規模で見ると、W3bstreamはコミュニティによって運営される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「フォーミュラ」をプラットフォームに展開（およびその後更新）するのを支援します。これらの「フォーミュラ」はRust、Golang、C++で作成され、今後他の言語もサポートされる予定です。通常、次のような形になります:

ゼロ知識証明は、証明生成時間の長期化や計算リソースの増加を含むパフォーマンスのトレードオフを伴うことが多く、これにより一部の現実世界のアプリケーションにおいてスケーラビリティが低下します。私たちは、zk-SNARKsを基にした社内最適化（バッチ処理を含む）を行い、パフォーマンスの問題に対処し、ゼロ知識プロトコルの核心的な利点を保持しながら、より高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際のベンチマーク結果であり、GPUアクセラレーション有無の比較です。

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しようとしています。ただし、その完全な潜在能力を引き出すためには、分散型検証の課題に取り組み、これらのネットワークの神聖さと不屈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、世界初の学術会議を今年の10月に開催します。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、共有のビジョンに向かってともに進む最高の研究者やエンジニアを歓迎します。DEPIN検証層の前進に情熱を持つ皆様に、さまざまな形でのコラボレーションを呼びかけます。research@iotex.ioまでご連絡ください。