W3bstream: DePINのためのレイヤー2ロールアップ

IoTeX Team

03 Jan 2024 • 7 min read

DePIN（分散型物理インフラネットワーク）空間が暗号の主流に進出した最近は、分散化、スケーラビリティ、検証可能性、アイデンティティ管理、データの信頼性など、いくつかの質問と課題を提起しています。以下の記事では、これらの課題のいくつかと、IoTeXコアチームがその製品の1つであるW3bstreamを通じて提案しているソリューションについて掘り下げていきます。W3bstreamは、オフチェーンデータ計算のためのロールアップ中心のスケーラブルアーキテクチャです。

DePINのリフレッシャ

DePIN（分散型物理インフラネットワーク）セクターは、従来のWeb2ベースのIoTシステムからの重要なシフトを表しています。従来、IoTシステムは、データが物理デバイスからIoTゲートウェイを通じてクラウドに送信され、処理され、保存されるクラウド中心か、ソースに近い場所でデータを処理するエッジサーバーを含むエッジ中心でした。これらのアーキテクチャは、IoTアプリケーションの中では人気がありますが、分散型またはハイブリッドな性質を持っています。しかし、DePINは、ブロックチェーン、IoT、トークンエコノミクスの3つのコア技術を統合する新しいアプローチを導入しています。この組み合わせにより、草の根レベルからインフラストラクチャネットワークと機械経済を作成できるようになります。DePINの特異性は、単一の企業による集中型の展開や保守ではなく、共通の利益のためのアプリケーションの構築を促進するコミュニティ主導のモデルにあります。
DePINには2つの主なカテゴリがあります：

物理資源ネットワーク（PRN）：これらのネットワークは、独自の製品やサービスを提供するための場所依存のハードウェアに焦点を当てています。例としては、無線通信、特定の地域におけるセンサーを通じた地理空間インテリジェンス、そして自動車サービスのようなモビリティアプリケーションが含まれます。
デジタル資源ネットワーク（DRN）：DRNは、コンピューティングパワー、ストレージ、帯域幅などの代替可能な資源のためのハードウェアデプロイを奨励します。これにより、場所特有のハードウェアを必要とせずに、ビデオ/オーディオレンダリングやストレージサービスのようなタスクのための大規模ネットワークの構築が可能になります。

DePINの風景は豊かで多様であり、多くのスタートアップが分散型コンピューティング、ストレージ、帯域幅ネットワーク、および通信プロトコルなどの異なる側面を探求しています。特定のプロジェクトがどのようなカテゴリに分類されるにせよ、DePINには、システムアイデンティティの確立、プライバシー問題への対処、特にスケーラビリティなどの固有の課題があります。

DePINのスケーラビリティの課題

前述のように、スケーラビリティは、DePINアプリケーションの固有の特性から生じる重要な課題です。DePINは、広範なネットワークと多数のデバイスを包含し、膨大な量のデータを生成し、処理します。同時に、ブロックチェーン技術との統合は、堅牢な信頼基盤を提供しますが、独自の制限をもたらします。信頼性の高いブロックチェーンは、その高い信頼ファクターで知られていますが、処理能力が制限され、データストレージが高コストになることが多く見受けられます。この広範なネットワークとデータ要件の対比は、DePINアプリケーションの直面するスケーラビリティの課題を明確に示しています。

イーサリアムロールアップアプローチ

イーサリアムがスケーラビリティの問題に対処するために採用しているアプローチは、ロールアップ中心のロードマップです。この戦略は、ブロックチェーンネットワーク内でのデータ処理とトランザクション実行の扱い方を根本的に再考します。

レイヤー2ロールアップ：すべてのデータ処理と実行のためにレイヤー1（メインブロックチェーン）のみに依存するのではなく、イーサリアムはこの作業の多くをレイヤー2ロールアップネットワークにオフロードすることを提案しています。これらのネットワークは、メインブロックチェーンと並行して運営されますが、より効率的にトランザクションを処理します。
トランザクションのバッチ処理：レイヤー2ネットワークは、レイヤー1ネットワークからトランザクションを収集し、バッチで処理します。複数のトランザクションを集約することにより、ロールアップネットワークはそれらをメインブロックチェーンで個別に処理するよりも効率的に処理できます。
証明の生成と検証：バッチでトランザクションを処理した後、レイヤー2ネットワークは証明を生成します。この証明は、ロールアップネットワークで処理されたすべてのトランザクションが有効であることを検証する暗号的証拠です。レイヤー1ネットワークは、スマートコントラクトを介してこの証明を検証します。このプロセスは、レイヤー2ネットワークで処理されたトランザクションの整合性を確保します。
レイヤー1を信頼のアンカーとして：データ処理をレイヤー2ネットワークにオフロードしても、レイヤー1ブロックチェーンはコアの信頼アンカーとしての役割を維持します。これは、レイヤー2ネットワークからの証明を検証することによって達成され、全体のネットワークの整合性とセキュリティを維持します。
効率的な状態遷移：レイヤー1ネットワークがこれらの証明と結果の状態遷移を受け入れることで、バッチのトランザクションをより効率的に処理できます。このアプローチにより、レイヤー1ネットワークへの負担が軽減され、より少ないが重要なタスクを処理しながら信頼のアンカーとしてより効果的に機能できます。

このロールアップ中心のアプローチにより、イーサリアムはそのスケーラビリティを著しく向上させることができ、DePINにも特定の修正を加えることで適応可能です。

W3bstream: DePINsのためのレイヤー2ロールアップ

前述のように、ロールアップ中心のアプローチはDePINアプリケーションのスケーリングにも利用可能です。このアプローチは、IoTeXのW3bstreamの基本的な哲学であり、IoTeXのレイヤー2ネットワークで、DePINプロジェクトをスケールし、大量のオフチェーンデータをはるかに小さく、検証可能なzkプローフに圧縮（集約）して、オンチェーン取引をトリガーできます。では、このアプローチの主なコンポーネントを見てみましょう：

主権スマートデバイス：これらは、DePINプロジェクトにおけるデータの信頼性にとって重要です。物理的な世界に展開され、これらのデバイスはデータを収集するだけでなく、データ収集プロセスの信頼性を証明します。
データ可用性レイヤー：このレイヤーは、デバイスから受信したデータを一時的に保存する役割を担っています。これはオンチェーンまたはオフチェーンのいずれかであり、永続的なストレージとは異なり短期的な性質です。
分散型シーケンサーネットワーク（DSN）：DSNは、デバイスから収集されたデータについてコンセンサスを形成し、データ可用性レイヤーに保存します。このコンセンサスは、意味のある計算を行うために必要です。
分散型集約ネットワーク：計算を担当し、このネットワークはデータ可用性レイヤーからデータをバッチで取得し、1つまたは複数のデバイスのために集約されたzk証明を生成します。
レイヤー1ネットワーク：レイヤー1のスマートコントラクトは、オフチェーン集約者によって生成されたzk証明を検証するための検証者として使用できます。このようにして、レイヤー1はDePINアプリケーションのための信頼基盤と決済レイヤーとして機能します。このアーキテクチャの高レベルのフローは次のとおりです：

以下のセクションでは、このアーキテクチャをより詳細に分析し、まず信頼できるデータの収集の方法、次にデータの前処理およびデータの可用性を説明し、次に集約証明生成プロセスについて話します。

信頼できるデータの収集

DePINアプリケーションでは、信頼できるデータの収集が重要であり、主に2つのアプローチによって達成されます：TEE（Trusted Execution Environment）ベースのアプローチとゼロ知識証明（ZKP）ベースのアプローチです。

TEEベースのアプローチ：TEEは、データ収集コードをデバイスの保護された領域に隔離することで、セキュアなデータ収集を確保します。また、リモート証明を含み、デバイスの操作とコードの整合性を外部で検証できます。
ZKPベースのアプローチ：この手法は、デバイスが基になるデータを開示することなく、データ収集の正確さを証明できるようにします。デバイスの能力に基づいて異なり、強力なデバイスのためのオンボードZKP生成や、より制約されたデバイスのためのリモート生成があります。

TEEとZKPを組み合わせることで、DePINアプリケーションにおけるデータ収集の信頼性が向上し、関連する金融システム全体の有効性に影響を与えます。将来の研究は、特に複数のセンサーや複雑なデータ収集のニーズを持つデバイスのために、ZKPの効率を改善することを目指しています。

データの前処理とデータの可用性

DePINアーキテクチャの2番目の主なコンポーネントは、データの前処理とデータの可用性を確保することです。これは、分散型シーケンサーネットワークによって実現されます。このネットワークは、複数のDePINプロジェクトにサービスを提供し、特に通信プロトコルにおけるデバイスの多様性の課題に対処します。

分散型シーケンサーネットワーク：

機能：データの前処理を実施します。様々なデバイスからデータが到着すると、ネットワークはそれを処理し、一貫性と互換性を確保します。
検証プロセス：
ネットワーク内の各ノードはデータを2つのステップで検証します：
1) データ収集プロセスの有効性を確認する—TEE対応デバイスからの証明書レポートをチェックするか、デバイスによって生成された証明を検証します。
2) データソースの真正性を確保するためにデバイスの署名を検証します。

データストレージと可用性：

前処理後：データが前処理され、ネットワーク内で合意が達成された後、プロジェクト固有のデータ可用性レイヤーに保存されます。
カスタマイズ可能なストレージソリューション：プロジェクトは、好ましいデータ可用性レイヤーを選択する柔軟性があります。これは、構成可能なストレージアダプタを介して可能になり、選択されたデータ可用性レイヤーにデータを保存できます。

DePINアーキテクチャのこのコンポーネントは、多様なデバイスからのデータフローを標準化し、セキュリティを守る際に重要な役割を果たし、一貫して処理され、効率的に保存されるようにします。

データ証明集約

DePINアーキテクチャの第三のコンポーネントは、集約証明生成に焦点を当てており、DePINプロジェクトでの計算を検証するための不可欠なプロセスです。

集約ノードと計算プール：

ネットワークは、すべてのDePINプロジェクトで共有されるオフチェーン計算リソースプールを形成する集約ノードで構成されています。
これらのノードは、オンチェーン状態モニターに基づいてアイドル状態の集約者を定期的に選択し、特定のDePINプロジェクトの計算タスクを処理します。

集約ノードによるタスク実行：

選択されたノードがデータ可用性レイヤーからデータを取得します。
次に、DePINプロジェクトの必要な計算を実行し、証明を生成します。
この証明はレイヤー1のスマートコントラクトに送付され、検証された後、ノードはアイドル状態に戻ります。

この集約証明を生成するために、システムは次のコンポーネントで構成された層状集約回路を利用します：

データ圧縮回路：Merkleツリーのように機能し、収集されたすべてのデータが特定のMerkleツリーのルートから派生していることを検証します。
署名バッチ検証回路：各デバイスからのデータの有効性をバッチで検証します。各デバイスに関連付けられた署名があります。
DePIN計算回路：医療プロジェクトの歩数の検証や、太陽光発電所のエネルギー生成など、DePINプロジェクトの特定の計算ロジックが正しく実行されたことを証明します。
証明集約回路：すべての証明を1つの証明に集約し、レイヤー1のスマートコントラクトによる最終検証を行います。

データ証明集約は、DePINプロジェクト内での計算の整合性と検証可能性を確保する上で重要であり、オフチェーン計算およびデータ処理の検証のための信頼できる効率的な手段を提供します。

結論

結論として、W3bstreamは分散型物理インフラネットワークのスケーラビリティに貢献し、その分散型シーケンサーネットワークを介してデータ前処理を効率的に管理します。これにより、大規模ネットワーク全体で複雑な計算を検証するために必要な集約証明生成を支持しています。オフチェーン計算を促進し、オンチェーン証明検証のための堅牢なメカニズムを提供することにより、W3bstreamはDePINアプリケーションのスループットと効率を大幅に向上させます。W3bstreamのオーケストレーションはIoTeXブロックチェーンに依存しており、その速度、セキュリティ、コスト効果のため、新しいDePINアプリケーションに最適な選択肢でありながら、W3bstreamは任意のブロックチェーン上の既存のDePINプロジェクトをサポートできます。そのアーキテクチャは、スケーラブルかつ安全なインフラを可能にし、分散型ネットワークの広範なエコシステムにおいて重要な要素となることを発揮します。

この記事は、IoTeXのリサーチ責任者であるXinxin Fanとケント州立大学のLei Xiuによる研究に基づいています。詳細については、こちらにある完全な研究論文を閲覧してください：ここ。

W3bstreamや、IoTeXチームがDePINビルダーや創業者のために提供しているすべてのツールについてもっと学んでください。DePINに初めて触れますか？IoTeXが提供するDePINscanでDePINの風景についてすべて見つけましょう。