DePIN에서의 분산 검증

IoTeX의 공동 창립자이자 CEO인 Raullen Chai와 IoTeX 연구원 Andrew Law

탈중앙화 물리 인프라 네트워크(DePINs)는 에너지, 교통 및 통신과 같은 실제 시스템을 구상하고 조직하는 방식에서 혁신적인 전환을 의미합니다. 블록체인, 암호화폐 및 스마트 계약과 스마트 장치를 얽어서 DePINs는 물리적 인프라를 탈중앙화되고 피어 투 피어 방식으로 조정할 수 있는 능력을 제공합니다. a16z의 Guy Woullet가 지적한 바와 같이, DePINs의 성공은 중앙 권한 없이 지리적으로 분산된 서비스 노드의 신뢰할 수 있는 검증을 보장하는 중요한 도전 과제를 해결하는 것에 달려 있습니다. 이 기사에서는 DePINs 내의 탈중앙화 검증 주제를 다루고 기존 솔루션을 비판적으로 분석하며 보안과 탈중앙화를 타협하지 않으면서 확장성을 약속하는 혁신적인 경로를 제시합니다.

DePIN의 성장

DePINs는 블록체인과 스마트 계약의 힘을 활용하여 물리적 인프라에 뿌리를 둔 서비스의 개방형 시장을 구축합니다. 에너지를 기반으로 한 DePIN을 고려해보세요: 태양광 패널을 장착한 주택 소유자는 전기를 생산하고 남는 에너지를 이웃에게 전달할 수 있을 것입니다. 블록체인에 의해 촉진되고 스마트 계약을 통해 실행되는 이러한 에너지 거래는 자율적으로 문서화되고 정산됩니다. 이 과정의 중추는 배터리 및 기타 마이크로 그리드에 연결된 하드웨어와 같은 IoT 장치로, 주택이 신뢰할 수 있고 직접적인 피어 투 피어 방식으로 에너지를 분배할 수 있도록 하며, 공공 서비스 기업이 중개자로 필요 없게 합니다. 이러한 탈중앙화 물리 인프라 네트워크는 2023년 다양한 분야에서 인기를 얻고 있습니다. 중앙 집중식 게이트키퍼를 제쳐두고, DePINs는 효율성을 높이고 비용을 줄이며 접근성을 확대하고 개인에게 더 큰 권한을 부여할 태세입니다.

DePIN의 구조

탈중앙화 물리 인프라는 복잡한 기술 스택에 의존하여 하드웨어, 연결성, 미들웨어, 블록체인 기반의 스마트 계약 및 웹 또는 모바일 앱을 결합합니다.

전형적인 DEPIN 네트워크(DIMO, Helium, WiFimap 또는 GeoDnet을 생각해 보세요)에는 보통 세 가지 역할이 있습니다:

• 서비스 노드: 서비스나 유틸리티를 제공하는 서버나 장치의 모음, 예: WiFi/5G, 환경 데이터 수집 및 에너지 생산.
• 미들웨어: 서비스 노드가 기대한 대로 작동하는지 확인하는 데 주로 초점을 맞춘 레이어입니다. 이는 현실 세계의 활동 및 이벤트를 서비스 노드에서 스마트 계약에 정확하게 나타내고 보고하는 것을 보장하며, 이는 DEPIN 토큰이 작동하는 방식과 밀접하게 연결될 수 있습니다.
• 최종 사용자: 실제로 서비스 노드나 장치가 제공하는 유틸리티를 사용하는 일반 사람들 또는 기업의 커뮤니티입니다. 이 중에서 미들웨어는 특정 지표를 추적하여 노드에서의 서비스나 유틸리티 품질을 측정하는 책임이 있으며, 그 부족은 여기 언급되었듯이, 부정적인 결과를 초래할 수 있습니다:

1. 자기 거래: 참가자들은 자신이 소유한 인프라에서 서비스를 이용함으로써 네트워크를 악용할 수 있으며, 수수료와 보상을 축적할 수 있습니다. 예를 들어, 에너지 업체가 자신의 저장고에서 에너지를 구매하는 것처럼 시뮬레이션할 수 있습니다. 충분한 보조금이나 초기 블록 보상이 주어지면, 자기 거래는 수익성이 됩니다.
2. 게으른 공급자: 인프라 공급자들은 서비스를 약속할 수 있지만, 자신의 약속을 이행하지 않거나 열악한 서비스를 제공할 수 있습니다. 엄격한 검증 시스템이 없으면, 사용자들은 해결책이 없습니다.
3. 악의적인 공급자: 처음 두 경우보다 드물지만, 악의적인 단체가 인프라를 조작하여 사용자들이 공급자의 재정적 이익과 일치하는 잘못된 센서 데이터를 수용하도록 하는 가능성이 있습니다. 제어되지 않은 행동은 DePIN의 경제적 인센티브를 불안정하게 만들 수 있습니다. 신뢰와 네트워크 효율성이 감소하며, 공급자들이 자기 이익을 추구하는 "공유지의 비극"이나 권력의 중앙집중화로 이어질 수 있습니다. 두 경우 모두, 분산화된 동료 주도의 인프라의 목표가 저해됩니다.

검증을 위한 미들웨어

비트코인의 작업 증명은 초기 형태의 DEPIN 검증입니다. 이는 방대한 해시 파워를 활용하여 보안을 보장하며, 글로벌 비트코인 네트워크의 모든 노드가 검증에 참여합니다. 현재 DEPIN 검증은 유사한 정신을 채택하고 있습니다. 여기서 서비스 노드는 유틸리티를 생성하고, 다른 독립적인 노드 세트(미들웨어 프로토콜로서)가 이 유틸리티를 보증하여 실제 세계에서 수행된 작업의 유효성과 진정성을 보장합니다. 이는 "유용한 작업의 증명" 또는 "물리적 작업의 증명"으로 특징지어질 수 있습니다. 두 시스템 모두 신뢰와 보안을 증진하는 분산 합의의 중요성을 강조합니다.

이와 같은 미들웨어를 설계하고 아키텍처화하는 것은 간단하지 않습니다. 다양한 관점에서 살펴보겠습니다.

관점 A: 검증을 위한 실행 가능한 기술

DePIN에서 성공적인 검증은 아래 두 가지를 동시에 달성하면 이루어집니다:

1. 측정의 진정성과 무결성: 서비스 노드나 장치의 측정은 그들의 작업 상태를 나타내며(예: WiFi 연결 제공이나 환경 데이터 수집과 같은 특정 서비스를 제공함) 진정하고 변조되지 않아야 합니다.
2. 오프체인 컴퓨테이션의 신뢰성: 일반적으로 측정값은 검증 목적에 직접적으로 사용될 수 없습니다. 이를 처리하기 위해 일정량의 오프체인 컴퓨테이션이 필요하며, 이는 신뢰할 수 있어야 합니다. 예를 들어, 에너지 중심의 DePIN의 경우, 스마트 계약이 스마트 미터가 태양광 에너지 생성량을 정확하게 측정하는 것을 신뢰해야 하며, 동시에 미들웨어가 이 스마트 미터로부터 6시간의 측정을 검증해야 온체인 결제를 시작할 수 있습니다.

이 두 가지를 달성하기 위해, 현재 실행 가능한 기술을 아래와 같이 정리할 수 있습니다.

관점 B: 분산화된 방식으로 검증 기술 패키징

실행 가능한 검증 기술에 대한 충분한 이해가 이루어진 후, 이를 분산 프로토콜로 어떻게 패키지할 수 있을지를 생각해야 합니다. 다음은 몇 가지 생각입니다:

• 하드웨어 계층을 최소화해야 합니다(광범위한 접근 가능성과 분산화를 보장하기 위해) 많은 기능들이 미들웨어에 명문화되어야 합니다 스택의 다른 영역에서 중앙집중화 리스크를 피하기 위해. 이는 유명한 "Fat Protocol"과 유사하게, 하드웨어 계층은 얇게, 미들웨어는 두껍게 만들고자 합니다.

• 미들웨어는 다음과 같은 면에서 공공 블록체인처럼 작동함
• 허가가 필요 없고 중립적이어야 함 (오픈 소스, 커뮤니티 운영)
• 투명하고 신뢰할 수 없으며, 높은 보안을 제공하고, 재정적 동기에 의해 촉발된 정교한 공격에 저항할 수 있어야 함.
• 다양한 시나리오에 대한 검증을 실행할 수 있어야 하므로 프로그래머블함(스마트 계약을 생각해보세요)을 내장해야 함.
• 필요할 때 하드웨어 또는 애플리케이션 계층에서 필요한 기능을 새길 수 있어야 함.

관점 C: 검증 모드

다양한 시나리오에서 서비스 노드는 다르게 작동합니다. 예를 들어, 파일 저장의 맥락에서 서비스 노드는 항상 작동하고 (약속된 것을 저장하기 위해) 그들에 대한 스팟 체크는 자연스럽지만, DIMO (차량 데이터 수집)의 맥락에서는 서비스 노드(차에 장착된 기기)가 10분마다 측정을 업로드하므로 모든 측정에 검증이 적용될 수 있습니다. 따라서 미들웨어는 다양한 DEPIN 애플리케이션에 적응하는 서로 다른 검증 모드를 가집니다:

• 데이터 프로세서: 이것은 서비스 노드 또는 장치가 기본적으로 모든 측정을 미들웨어에 전송하고, 이를 검증 및 처리하여 스마트 계약에 대한 증명을 생성하는 가장 일반적인 모드입니다.
• 적극적 통합자: 미들웨어 프로토콜은 서비스 노드의 하위 집합을 선택하여 도전합니다(미들웨어 프로토콜이 충분히 강력하면 모든 서비스 노드를 "샘플링"할 수 있음). 노드로부터 응답을 받은 후 데이터 프로세서 모드로 전환됩니다. Filecoin에서 사용되는 임의 샘플링 접근법이 이 범주에 속합니다.
• 수동 감시자: 이것은 미들웨어가 단순히 서비스를 감시하고 그들이 기대한 대로 하고 있는지 (하고 있지 않은지) 증거를 찾으려는 가장 드문 방법입니다 (어두운 숲 이론을 생각해보세요).

DePIN 검증을 위한 미들웨어로서 W3bstream 구축

앞서 언급한 모든 관점을 종합하여, 우리는 유효성 증명 기반 접근 방식을 지지하고 탈 중앙화된, 공유 및 중립적인 오프 체인 검증 프로토콜을 구상합니다(IoTeX Network의 일환으로) DEPIN 네트워크에 봉사합니다. 이 프로토콜은 여러 소규모 DEPIN 네트워크로부터 측정을 수집하고 (예: 현재 SNARK 증명을 사용합니다) 스마트 계약에 대한 유효성 증명을 제공합니다. 우리는 7월에 W3bstream의 개발자 미리보기 버전을 출시했으며, 현재 우리가 계획한 로드맵에 따라 메인넷 스프라우트 버전을 전속력으로 제공하고 있습니다. 이는 커뮤니티 사용자가 스테이킹된 IOTX를 통해 2023년 4분기 말 또는 2024년 1분기 초에 네트워크의 콜드 스타트에 참여할 수 있도록 합니다.

더 광범위하게 보면, W3bstream은 다양한 DEPIN 프로젝트가 그들의 검증 "공식"을 플랫폼에 배포(그리고 이후 업데이트)할 수 있도록 하는 커뮤니티 운영 샤드 네트워크입니다. 이 "공식"은 Rust, Golang, C++로 제작할 수 있으며, 곧 더 많은 언어가 지원될 것입니다. 다음은 그들이 일반적으로 어떤 형태인지 보여줍니다:

제로 지식 증명은 종종 긴 증명 생성 시간과 증가된 계산 자원을 포함한 성능 거래를 수반하여 일부 실제 애플리케이션에 대해 확장성이 떨어지는 경우가 있습니다. 우리는 이러한 성능 문제를 해결하기 위해 zk-SNARKs 위에서 배치와 같은 내부 최적화를 수행하여 핵심 제로 지식 프로토콜의 혜택을 유지하면서 더 빠른 증명 생성을 제공하는 것을 목표로 했습니다. 다음은 GPU 가속 유무에 따라 "위의 공식"을 사용하여 1000개의 시뮬레이션된 장치에서 배치된 증명 생성을 실행한 벤치마크 결과입니다.

증명 범위의 벤치마크

노트: 일반 기계 - 12 스레드 CPU + 64GB RAM

내일의 분산화된 세계에서 신뢰의 선도

분산된 물리적 인프라는 우리의 세계의 여러 차원을 재편할 기로에 서 있습니다. 그러나 그 잠재력을 최대한 발휘하기 위해서는 분산 검증의 문제를 해결하고 이러한 네트워크의 신성함과 불가침성을 보장하는 것이 필수적입니다. 이러한 복잡한 문제를 해결하기 위해 세계 최초의 학술 회의 이번 10월에 웹3, 암호화, IoT, 보안/프라이버시, 경제학 등 다양한 분야의 최고의 연구자와 엔지니어를 초대하여 함께하는 비전을 공유합니다. DEPIN 검증 레이어를 발전시키는 데 열정을 가진 모든 분들이 다양한 방식으로 협력해 주시기를 초대합니다. research@iotex.io.