W3bstream: DePIN을 위한 레이어-2 롤업

IoTeX Team

03 Jan 2024 • 7 min read

최근 DePIN 분야가 암호화폐 주류로 부상하면서 탈중앙화, 확장성, 검증 가능성, 아이덴티티 관리, 데이터 신뢰 등 여러 질문과 과제가 제기되고 있습니다. 아래 글에서는 이러한 과제들 중 일부와 IoTeX 코어 팀이 자사 제품 중 하나인 W3bstream을 통해 제안한 솔루션에 대해 다룹니다. W3bstream은 오프체인 데이터 연산을 위한 롤업 중심의 확장 가능한 아키텍처입니다.

DePIN 개요 다시 보기

DePIN(탈중앙화 물리적 인프라 네트워크) 섹터는 전통적인 Web2 기반 IoT 시스템으로부터의 중대한 전환을 의미합니다. 전통적으로 IoT 시스템은 물리적 장치의 데이터가 IoT 게이트웨이를 거쳐 클라우드로 전송되어 처리 및 저장되는 클라우드 중심 방식이거나, 소스에 더 가까운 곳에서 데이터를 처리하는 엣지 서버를 활용하는 엣지 중심 방식이었습니다. 이러한 아키텍처는 IoT 애플리케이션에서 널리 사용되지만 본질적으로 중앙집중형이거나 하이브리드형입니다. 그러나 DePIN은 블록체인, IoT, 토크노믹스라는 세 가지 핵심 기술을 통합함으로써 새로운 접근 방식을 제시합니다. 이러한 결합을 통해 풀뿌리 차원에서 인프라 네트워크와 머신 이코노미를 구축할 수 있습니다. DePIN의 독특함은 단일 기업에 의한 중앙집중식 배포 및 유지보수 대신, 공동체 주도로 공공의 이익을 위한 애플리케이션 구축을 장려하는 모델에 있습니다.
DePIN에는 두 가지 주요 범주가 있습니다:

물리적 자원 네트워크(PRN, Physical Resource Networks): 이 네트워크는 고유한 재화나 서비스를 제공하기 위해 위치에 종속적인 하드웨어에 중점을 둡니다. 예를 들어 무선 연결, 특정 지역의 센서를 통한 지리공간 정보, 자동차 서비스와 같은 모빌리티 애플리케이션 등이 있습니다.
디지털 자원 네트워크(DRN, Digital Resource Networks): DRN은 컴퓨팅 파워, 저장공간, 대역폭과 같은 대체 가능한(fungible) 자원을 위한 하드웨어 배포를 장려합니다. 이를 통해 위치에 종속적인 하드웨어 없이도 비디오/오디오 렌더링이나 스토리지 서비스와 같은 작업을 위한 대규모 네트워크를 구축할 수 있습니다.

DePIN 생태계는 풍부하고 다양하며, 수많은 스타트업이 탈중앙화 컴퓨팅, 스토리지, 대역폭 네트워크, 통신 프로토콜 등 다양한 측면을 탐구하고 있습니다. 어떤 프로젝트가 어느 범주에 속하든 관계없이, DePIN은 시스템 아이덴티티 확립, 프라이버시 문제 해결, 그리고 특히 확장성이라는 본질적인 과제를 안고 있습니다.

DePIN의 확장성 과제

앞서 언급했듯이, 확장성은 DePIN 애플리케이션의 본질적인 특성으로 인해 대두되는 중대한 과제입니다. DePIN은 일반적으로 수많은 장치로 구성된 대규모 네트워크를 포함하며, 방대한 양의 데이터를 생성하고 처리합니다. 동시에 블록체인 기술과의 통합은 견고한 신뢰 기반을 제공하는 반면, 그 자체의 한계도 함께 가져옵니다. 높은 신뢰도로 알려진 블록체인은 제한된 처리 능력과 값비싼 데이터 저장 비용이라는 문제를 안고 있습니다. 이처럼 방대한 네트워크와 데이터 요구사항이 블록체인의 제한된 처리 능력과 맞물리면서, DePIN 애플리케이션이 직면한 확장성 과제가 명확하게 드러납니다.

이더리움의 롤업 접근 방식

이더리움이 확장성 문제를 해결하기 위해 채택해 온 접근 방식은 롤업 중심의 로드맵입니다. 이 전략은 블록체인 네트워크에서 데이터 처리와 트랜잭션 실행 방식을 근본적으로 재고합니다.

레이어 2 롤업: 모든 데이터 처리와 실행을 레이어 1(메인 블록체인)에만 의존하는 대신, 이더리움은 이 작업의 상당 부분을 레이어 2 롤업 네트워크로 오프로드할 것을 제안합니다. 이 네트워크들은 메인 블록체인과 병행하여 작동하지만 트랜잭션을 더 효율적인 방식으로 처리합니다.
트랜잭션의 배치 처리: 레이어 2 네트워크는 레이어 1 네트워크로부터 트랜잭션을 수집하여 배치 단위로 처리합니다. 여러 트랜잭션을 집계함으로써, 롤업 네트워크는 메인 블록체인에서 개별적으로 처리하는 것보다 더 효율적으로 트랜잭션을 처리할 수 있습니다.
증명 생성 및 검증: 배치 단위로 트랜잭션을 처리한 후, 레이어 2 네트워크는 증명(proof)을 생성합니다. 이 증명은 롤업 네트워크에서 처리된 모든 트랜잭션이 유효함을 검증하는 암호학적 증거입니다. 그런 다음 레이어 1 네트워크는 스마트 컨트랙트를 통해 이 증명을 검증합니다. 이 과정은 레이어 2 네트워크에서 처리된 트랜잭션의 무결성을 보장합니다.
신뢰의 닻(Trust Anchor)으로서의 레이어 1: 데이터 처리를 레이어 2 네트워크로 오프로드했음에도 불구하고, 레이어 1 블록체인은 핵심적인 신뢰의 닻으로서의 역할을 유지합니다. 이는 레이어 2 네트워크로부터의 증명을 검증함으로써 이루어지며, 이를 통해 전반적인 네트워크의 무결성과 보안을 유지합니다.
효율적인 상태 전이: 레이어 1 네트워크가 이러한 증명과 그에 따른 상태 전이를 수용함으로써, 배치 단위의 트랜잭션을 보다 효율적으로 처리할 수 있습니다. 이 접근 방식은 레이어 1 네트워크의 부담을 줄여주어, 더 적지만 더 중요한 작업을 처리하면서도 신뢰의 닻으로서 더욱 효과적으로 기능할 수 있게 합니다.

이러한 Rollup 중심 접근 방식은 이더리움이 확장성을 크게 향상시킬 수 있게 해주며, 약간의 수정을 거치면 DePIN에도 적용할 수 있습니다.

W3bstream: DePIN을 위한 Layer-2 Rollup

앞서 언급했듯이, Rollup 중심 접근 방식은 DePIN 애플리케이션을 확장하는 데에도 사용될 수 있습니다. 이 접근 방식은 IoTeX의 W3bstream의 핵심 철학으로, DePIN 프로젝트 확장에 특화된 IoTeX의 Layer-2 네트워크이며, 대량의 오프체인 데이터를 훨씬 더 작고 검증 가능한 zk-proof로 압축(집계)하여 온체인 트랜잭션을 트리거할 수 있습니다. 이제 이러한 접근 방식의 주요 구성 요소를 살펴보겠습니다.

소버린 스마트 디바이스(Sovereign Smart Devices): DePIN 프로젝트에서 데이터 신뢰성을 위해 매우 중요합니다. 물리적 세계에 배포된 이 디바이스들은 데이터를 수집할 뿐만 아니라 데이터 수집 과정의 신뢰성을 증명합니다.
데이터 가용성 계층(Data Availability Layer): 디바이스로부터 수신한 데이터를 일시적으로 저장하는 역할을 담당하는 계층입니다. 온체인 또는 오프체인일 수 있으며, 단기적 특성으로 인해 영구 저장소와는 다릅니다.
탈중앙화 시퀀서 네트워크(DSN): DSN은 디바이스에서 수집된 데이터에 대한 합의를 이루고 이를 데이터 가용성 계층에 저장합니다. 이러한 합의는 의미 있는 계산이 수행되기 위해 필수적입니다.
탈중앙화 애그리게이터 네트워크(Decentralized Aggregator Network): 계산을 담당하는 이 네트워크는 데이터 가용성 계층에서 배치 단위로 데이터를 검색하여 하나 이상의 디바이스에 대한 집계된 zk-proof를 생성합니다.
Layer-1 네트워크: Layer-1의 스마트 컨트랙트는 오프체인 애그리게이터가 생성한 zk-proof를 검증하는 검증자로 사용될 수 있습니다. 이러한 방식으로 Layer-1은 DePIN 애플리케이션의 신뢰 기반이자 정산 계층 역할을 합니다. 이러한 아키텍처의 상위 수준 흐름은 다음과 같습니다.

아래 섹션에서는 이 아키텍처를 더 자세히 분석합니다. 먼저 신뢰할 수 있는 데이터를 수집하는 방법부터 시작하여, 데이터 전처리(pre-processing)와 데이터 가용성(data availability)을 설명한 다음, 집계 증명 생성(aggregate proof generation) 과정에 대해 이야기합니다.

신뢰할 수 있는 데이터 수집

DePIN 애플리케이션에서 신뢰할 수 있는 데이터 수집은 매우 중요하며, 주로 TEE(신뢰 실행 환경, Trusted Execution Environment) 기반 방식과 영지식 증명(ZKP, zero-knowledge proof) 기반 방식이라는 두 가지 접근 방식을 통해 이루어집니다.

TEE 기반 접근 방식: TEE는 데이터 수집 코드를 디바이스의 보호된 영역에 격리함으로써 안전한 데이터 수집을 보장합니다. 또한 원격 증명(remote attestation) 기능을 포함하여 디바이스의 작동 및 코드 무결성을 외부에서 검증할 수 있게 합니다.
ZKP 기반 접근 방식: 이 방법은 디바이스가 기본 데이터를 노출하지 않고도 데이터 수집의 정확성을 증명할 수 있게 합니다. 디바이스의 성능에 따라 다르며, 성능이 뛰어난 디바이스는 온보드 ZKP 생성을 사용하고, 제약이 있는 디바이스는 원격 생성을 사용합니다.

TEE와 ZKP를 결합하면 DePIN 애플리케이션의 데이터 수집 신뢰성이 향상되어 관련 금융 시스템의 전반적인 효율성에 영향을 미칩니다. 향후 연구는 특히 다중 센서를 보유하거나 복잡한 데이터 수집이 필요한 디바이스를 위해 ZKP 효율성을 개선하는 데 목표를 두고 있습니다.

데이터 전처리 및 데이터 가용성

DePIN 아키텍처의 두 번째 주요 구성 요소는 데이터 전처리와 데이터 가용성 확보이며, 이는 탈중앙화 시퀀서 네트워크를 통해 이루어집니다. 이 네트워크는 여러 DePIN 프로젝트에 서비스를 제공하며, 특히 통신 프로토콜과 관련된 디바이스 다양성 문제를 해결합니다.

탈중앙화 시퀀서 네트워크(Decentralized Sequencer Network):

기능: 데이터 전처리를 수행합니다. 다양한 디바이스로부터 데이터가 도착하면, 네트워크는 이를 처리하여 균일성과 호환성을 보장합니다.
검증 프로세스:
네트워크의 각 노드는 두 단계에 걸쳐 데이터를 검증합니다.
1) TEE 지원 디바이스의 증명 보고서를 확인하거나 디바이스가 생성한 증명(proof)을 검증하여 데이터 수집 과정의 유효성을 확인합니다.
2) 디바이스의 서명을 검증하여 데이터 출처의 진위를 확인합니다.

데이터 저장 및 가용성:

전처리 이후: 데이터가 전처리되고 네트워크 내에서 합의가 이루어지면, 프로젝트별 데이터 가용성 계층에 저장됩니다.
맞춤형 저장 솔루션: 프로젝트는 원하는 데이터 가용성 계층을 선택할 수 있는 유연성을 가집니다. 이는 구성 가능한 저장 어댑터를 통해 가능하며, 선택한 데이터 가용성 계층에 데이터를 저장할 수 있습니다.

DePIN 아키텍처의 이 구성 요소는 다양한 기기에서 발생하는 데이터 흐름을 표준화하고 보호하는 데 중요한 역할을 하며, 데이터가 균일하게 처리되고 효율적으로 저장되도록 보장합니다.

데이터 증명 집계

DePIN 아키텍처의 세 번째 구성 요소는 집계 증명 생성에 중점을 두며, 이는 DePIN 프로젝트에서 연산을 검증하는 데 필수적인 프로세스입니다.

집계자 노드 및 연산 풀:

네트워크는 모든 DePIN 프로젝트에서 공유되는 오프체인 컴퓨팅 자원 풀을 형성하는 집계자 노드들로 구성됩니다.
이 노드들은 온체인 상태 모니터를 기반으로 주기적으로 유휴 상태인 집계자를 선택하여 특정 DePIN 프로젝트의 연산 작업을 처리하도록 합니다.

집계자 노드에 의한 작업 실행:

선택된 노드는 데이터 가용성 계층에서 데이터를 가져옵니다.
그런 다음 DePIN 프로젝트에 필요한 연산을 수행하고 증명을 생성합니다.
이 증명은 검증을 위해 레이어 1 스마트 계약으로 전송되며, 이후 노드는 다시 유휴 상태로 돌아갑니다.

이 집계 증명을 생성하기 위해 시스템은 다음과 같은 구성 요소로 이루어진 계층형 집계 회로를 활용합니다:

데이터 압축 회로: 머클 트리처럼 작동하며, 수집된 모든 데이터가 특정 머클 트리 루트에서 비롯되었음을 검증합니다.
서명 배치 검증 회로: 각각 서명과 연관된 기기 데이터의 유효성을 일괄적으로 검증합니다.
DePIN 연산 회로: 헬스케어 프로젝트에서 걸음 수를 검증하거나 태양광 발전소의 생산 에너지를 검증하는 것과 같이, DePIN 프로젝트의 특정 연산 로직이 올바르게 실행되었음을 증명합니다.
증명 집계 회로: 레이어 1 스마트 계약의 최종 검증을 위해 모든 증명을 하나로 집계합니다.

데이터 증명 집계는 DePIN 프로젝트 내 연산의 무결성과 검증 가능성을 보장하는 데 매우 중요하며, 오프체인 연산 및 데이터 처리를 검증하기 위한 신뢰할 수 있고 효율적인 방법을 제공합니다.

결론

결론적으로, W3bstream은 탈중앙화된 시퀀서 네트워크를 통해 데이터 전처리를 효율적으로 관리함으로써 DePIN의 확장성에 기여합니다. 이는 대규모 네트워크 전반에 걸친 복잡한 연산을 검증하는 데 필수적인 집계 증명 생성을 지원합니다. W3bstream은 오프체인 연산을 촉진하고 온체인 증명 검증을 위한 강력한 메커니즘을 제공함으로써 DePIN 애플리케이션의 처리량과 효율성을 크게 향상시킵니다. W3bstream의 오케스트레이션은 IoTeX 블록체인에 의존하지만, IoTeX는 속도, 보안성 및 비용 효율성 덕분에 여전히 새로운 DePIN 애플리케이션에 최적의 선택으로 남아 있으며, W3bstream은 어떤 블록체인에서든 기존의 모든 DePIN 프로젝트를 지원할 수 있습니다. 이러한 아키텍처는 확장 가능하고 안전한 인프라를 가능하게 하여, 탈중앙화 네트워크의 더 넓은 생태계에서 필수적인 구성 요소로 자리매김하고 있습니다.

이 글은 IoTeX의 연구 책임자인 Xinxin Fan 교수와 켄트 주립대학교(Kent State University)의 Lei Xiu의 연구 자료를 바탕으로 작성되었습니다. 자세한 내용은 여기에서 전체 연구 논문을 확인해 보세요.

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