W3bstream：DePINのレイヤー2ロールアップ

IoTeX Team

03 Jan 2024 • 7 min read

最近、DePIN空間が暗号の主流に上昇したことで、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、いくつかの質問や課題が浮上しています。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一つであるW3bstreamを通じて提案した解決策について掘り下げます。これは、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なアーキテクチャです。

DePINのリフレッシャー

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示しています。従来のIoTシステムは、物理デバイスからのデータがIoTゲートウェイを通じてクラウドで処理および保存されるクラウド中心型、またはデータをソースに近い場所で処理するエッジサーバーを含むエッジ中心型のいずれかでした。これらのアーキテクチャは、IoTアプリケーションで人気がありますが、集中型またはハイブリッドの性質を持っています。しかし、DePINは、ブロックチェーン、IoT、トークノミクスの三つのコアテクノロジーを統合する新しいアプローチを導入します。この組み合わせにより、基盤レベルからインフラネットワークとマシンエコノミーの構築が可能になります。DePINの特異性は、単一の企業による集中型の展開と維持ではなく、共通の利益のためのアプリケーションの構築を奨励するコミュニティ主導のモデルにあります。
DePINには主に二つのカテゴリーがあります：

物理リソースネットワーク（PRNs）：これらのネットワークは、ユニークな商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、特定の地域のセンサーによる無線接続、地理空間インテリジェンス、そして自動車サービスなどのモビリティアプリケーションがあります。
デジタルリソースネットワーク（DRNs）：DRNsは、計算能力、ストレージ、または帯域幅など、可分性リソースのためのハードウェアを展開することを奨励します。これにより、特定の場所に依存しない大規模なネットワークが構築可能となり、ビデオ/オーディオのレンダリングやストレージサービスなどのタスクを行うことができます。

DePINの景観は豊かで多様であり、さまざまな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、通信プロトコルなどの異なる側面を探索しています。特定のプロジェクトがどのようなカテゴリーに属していても、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、そして特にスケーラビリティなどの固有の課題が伴います。

DePINのスケーラビリティの課題

先に示唆したように、スケーラビリティは、DePINアプリケーションの固有の特性によって引き起こされる重要な課題として浮上します。DePINは通常、大規模なネットワークを含み、多数のデバイスが広範囲のデータを生成および処理します。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する一方で、独自の制限をもたらします。高い信頼性を持つブロックチェーンは、処理能力が限られており、データストレージがコスト高になることが多いです。この広範なネットワークとデータ要件との制約された処理能力の対比は、DePINアプリケーションで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。

イーサリアムの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取り組む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におけるデータ処理とトランザクション実行の方法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）に依存するのではなく、イーサリアムは、迅速な処理を行うために多くの処理をレイヤー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、トランザクションをより効率的に処理します。
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、それらがメインブロックチェーンで個別に処理される場合よりも効率的に処理できます。
証明生成と検証：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学的証拠です。その後、レイヤー1ネットワークはスマートコントラクトを通じ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保証します。
レイヤー1の信頼の中心：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いるにもかかわらず、レイヤー1ブロックチェーンは、コアの信頼の中心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で実現され、全体的な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を受け入れ、結果的な状態遷移を処理できることで、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。このアプローチは、レイヤー1ネットワークへの負担を軽減し、信頼の中心としてより効果的に機能できるようにし、より少ないタスクで、しかしより重要なタスクを処理します。

このRollup中心のアプローチにより、Ethereumはスケーラビリティを大幅に向上させることができ、特定の修正を加えることでDePINにも適用できます。

W3bstream: DePINのためのレイヤー2ロールアップ

前述のように、Rollup中心のアプローチはDePINアプリケーションのスケールにも使用できます。このアプローチは、IoTeXのW3bstreamの背後にある核心的な思想であり、IoTeXが提供するDePINプロジェクトのスケーリングに特化したレイヤー2ネットワークで、オフチェーンデータを大量に圧縮（集約）して、より小さく検証可能なzk証明を生成し、オンチェーントランザクションを開放します。では、このアプローチの主要なコンポーネントを見てみましょう：

自律型スマートデバイス: これは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た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保証します。
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、短期的な性質のため永続ストレージとは異なります。
分散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合意し、データ可用性レイヤーに保存します。この合意は、意味のある計算を行うために必要です。
分散アグリゲーターネットワーク: 計算を担当するこのネットワークは、データ可用性レイヤーからバッチでデータを取得し、1つまたは複数のデバイスに対して集約された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上のスマートコントラクトは、オフチェーンアグリゲーター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アプリケーションにとって信頼の基盤および決済レイヤーとして機能します。このアーキテクチャの大まかな流れは以下の通りです。

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、信頼できるデータを収集する方法から始め、それからデータの前処理とデータの可用性について説明し、最後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つのアプローチを通じて達成されます: 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、デバイスの保護された領域にデータ収集コードを隔離することで安全なデータ収集を確保します。また、リモート認証を含み、デバイスの操作とコードの整合性を外部で検証できるようにします。
ZKPベースのアプローチ: この方法では、デバイスが基礎データを公開することなく、そのデータ収集の正確性を証明することができます。デバイスの能力に応じて変動し、高性能デバイスではオンボードZKP生成を行い、制約のあるデバイスではリモート生成を行います。

TEEとZKPの組み合わせにより、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効果に影響を及ぼします。将来の研究は、特に複数のセンサーや複雑なデータ収集ニーズを持つデバイス向けのZKP効率の向上を目指します。

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番目の主要コンポーネントは、データの前処理とデータの可用性の確保であり、分散シーケンサーネットワークによって促進されます。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。

分散シーケンサーネットワーク:

機能: データ前処理を行います。さまざま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て、均一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、2つのステップでデータを検証します:
1) TEEを搭載したデバイスからの認証報告書を確認するか、デバイスによって生成された証明を検証することで、データ収集プロセスの有効性を確認します。
2) デバイスの署名を検証し、データソースの信頼性を確保します。

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得られた後、プロジェクト特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、好みの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、データを選択されたデータ可用性レイヤーに保存できるようにする構成可能なストレージアダプタを通じて実現されます。

このDePINアーキテクチャのコンポーネントは、多様なデバイスからのデータの流れを標準化し、安全に保つ重要な役割を果たし、それが均一に処理され、効率的に保存されることを保証します。

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プロジェクトにおける計算の検証に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、特定のDePINプロジェクトの計算タスクを処理するために、オンチェーンステータスモニターに基づいてアイドル集約者を定期的に選択します。

集約ノードによるタスク実行:

選択されたノードは、データ可用性層からデータを取得します。
その後、DePINプロジェクトのために必要な計算を行い、証明を生成します。
この証明は、検証のためにLayer 1スマートコントラクトに送信され、その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、システムは以下のコンポーネントからなる層状集約回路を利用します:

データ圧縮回路: メルクル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メルクル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: 署名に関連するデバイスからのデータの有効性をバッチで検証します。
DePIN計算回路: 健康管理プロジェクトでのステップ数の検証や、太陽光発電所でのエネルギー生産など、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ていることを証明します。
証明集約回路: すべての証明を一つに集約し、Layer 1スマートコントラクトによる最終検証を行います。

データ証明の集約は、DePINプロジェクトにおける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に信頼性が高く効率的な方法を提供します。

結論

結論として、W3bstreamはその分散型シーケンサーネットワークを通じてデータの事前処理を効率的に管理することにより、DePINのスケーラビリティに貢献します。これは、広範なネットワーク全体での複雑な計算を検証するために不可欠な集約証明生成をサポートします。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で、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いますが、その速度、安全性、コスト効果から新しいDePINアプリケーションには最適な選択肢であり、W3bstreamはあらゆる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。基本アーキテクチャは、スケーラブルで安全なインフラを可能にし、分散型ネットワークのより広範なエコシステムにおいて重要なコンポーネントとなっています。

この記事は、IoTeXの研究責任者であるProf. Xinxin Fanとケント州立大学のLei Xiuによる研究を基にしています。詳細については、こちらのフルリサーチペーパーをご覧くださいこちら。

詳しくは、W3bstreamと、IoTeXチームがDePINビルダーや創業者に提供しているツールを確認してください。DePINに不慣れですか？IoTeXが提供するDePINscanでDePINの全体像を見つけてください。