去中心化验证在 DePIN 中的应用

作者：IoTeX 联合创始人兼 CEO Raullen Chai 和 IoTeX 研究员 Andrew Law

去中心化的物理基础设施网络（DePINs）代表了我们构想和组织现实世界系统的一次变革性转变，涵盖了能源、交通和电信等领域。通过将区块链、加密货币和智能合约与智能设备结合在一起，DePINs 提供了以去中心化和点对点方式协调物理基础设施的能力。正如 a16z 的 Guy Woullet 所指出的，DePINs 的成功取决于解决一个关键挑战：确保在没有中央权威的情况下对地理分散的服务节点进行可信验证。 在本文中，我们将深入探讨 DePINs 中的去中心化验证主题，批判性地分析现有解决方案，并提出有望在不妥协安全性和去中心化的情况下实现可扩展性的创新途径。

DePIN 的崛起

DePINs 利用区块链和智能合约的力量，为基于物理基础设施的服务打造开放市场。考虑一个基于能源的 DePIN：配备太阳能电池板的房主可以可能产生电力，并将多余的能源传输给他们的邻居。通过区块链促进，并通过智能合约执行，这些能源交易会被自主记录和结算。这个过程中，中心的角色是物联网设备，如电池和其他微电网连接的硬件，使家庭能够以可信的、直接的点对点方式分配能源，消除了公用事业公司作为中介的需要。这些去中心化的物理基础设施网络在 2023 年 正在获得关注。通过边缘化中心化的守门人，DePINs 有望提高效率，降低成本，增强可及性，并赋予个人更大的自主权。

DePIN 的构成

去中心化的物理基础设施依赖于一个 复杂的技术栈，将硬件、连接性、中间件、基于区块链的智能合约和网页或移动应用结合在一起。

聚焦于典型的 DePIN 网络（想想 DIMO 或 Helium 或 WiFimap 或 GeoDnet），通常有三种角色：

• 服务节点：一组提供服务或公用事业的服务器或设备，例如 WiFi/5G、环境数据收集和能源生产。
• 中间件：一个层，主要关注验证服务节点是否正常工作。它确保服务节点向智能合约准确表述和报告现实世界的活动和事件，这与 DePIN 代币的工作紧密相关。
• 终端用户：一个日常个人或企业的社区，实际上使用服务节点或设备提供的公用事业。在这些角色中，中间件负责通过跟踪某些指标来衡量节点的服务或公用事业的质量， 而缺少这些指标可能会导致，如在这里提到的：

1. 自我交易：参与者可能会通过利用他们所拥有的基础设施提供的服务来剥削网络，从而积累费用和奖励。举例来说，一家能源实体可以模拟从其自身储备中购买能源。考虑到丰厚的补贴或初始区块奖励，自我交易变得非常有利可图。
2. 懒惰的提供者：基础设施供应商可能会承诺提供服务，但要么食言，要么提供低于标准的服务。在缺乏严格的验证系统的情况下，用户将无处申诉。
3. 恶意提供者：尽管与前两者相比较为少见，但仍有可能存在恶意实体操控基础设施，诱使用户接受与供应商财务利益一致的虚假传感器数据。放任不管的行为会破坏 DePIN 的经济激励。信任和网络效率下降，导致“公地悲剧”的出现，提供者为了自身利益而寻求自利或权力集中。在这两种情况下，去中心化、以同行驱动的基础设施的目标都被削弱了。

验证中间件

比特币的工作量证明是 DEPIN 认证的早期形式。它利用大量的哈希算力来确保安全，全球比特币网络中的每个节点都参与到验证中。如今的 DEPIN 验证采用了类似的理念。在这里，服务节点提供实用功能，另一组不同的节点（作为中间件协议）介入以支持此功能，确保已在物理世界中完成工作的有效性和真实性。这可以被描述为“有用工作的证明”或“物理工作的证明”。这两种系统强调了去中心化共识在促进信任和安全中的重要性。

设计和架构这样的中间件并非易事。让我们从不同的角度来看待它。

视角 A：可行的验证技术

在 DePIN 中成功的验证需要同时达到以下两点：

1. 测量的真实性和完整性：来自服务节点或设备的测量代表它们的工作状态（例如，它们已经提供了某种服务，如提供 WiFi 连接或收集环境数据），必须真实且不可篡改。
2. 链外计算的可信性：通常，这些测量不能直接用作验证目的。需要一定量的链外计算来处理它们，这必须是可信的，例如，不能作弊。以一个以能源为中心的 DePIN 为例：智能合约必须信任智能表能正确测量太阳能发电，同时中间件验证这智能表的6小时测量，以启动链上加密支付。

为了实现这两者，我们可以描绘出可行的当前技术，如下所示。

视角 B：以去中心化的方式打包验证技术

在充分了解可行的验证技术后，我们需要思考如何将其打包成一种去中心化协议。以下是一些想法：

• 硬件层需要最小化（以确保广泛的可访问性和去中心化），并且许多功能应铭刻在中间件中，以帮助避免堆栈其他区域的中心化风险。这类似于著名的“胖协议”，我们希望硬件层薄而中间件厚。

• 中间件在以下方面像一个公共区块链运作
• 是无权限且中立的（开源、社区运营）
• 是透明且无信任的，提供高安全性，能够抵御由经济动机驱动的复杂攻击。
• 能够针对不同场景执行各种类型的验证，因此需要嵌入可编程性（考虑智能合约）。
• 能够在需要时从硬件或应用层提炼必要的特性。

视角 C：验证模式

在不同的场景中，服务节点的工作方式不同。例如，在文件存储的上下文中，服务节点始终在工作（存储所承诺的内容），因此对它们的抽查是自然的，而在 DIMO（汽车数据收集）的上下文中，服务节点（安装在汽车上的设备）每10分钟上传一次测量值，因此验证可以应用于所有测量值。因此，中间件有不同的验证模式，以适应不同的 DEPIN 应用：

• 数据处理器：这是最常见的模式，服务节点或设备基本上将所有测量值发送给中间件，中间件对其进行验证和处理，以产生智能合约的证明。
• 主动集成器：中间件协议主动选择一部分服务节点进行挑战（注意，如果中间件协议足够强大，它可以对所有服务节点进行“抽样”）。在收到节点的响应后，它进入数据处理器模式。Filecoin 中使用的随机抽样方法属于这一类。
• 被动观察者：这是最不常见的方式，中间件只是默默观察服务中的节点，并尝试找到它们是否按预期（不）工作的证据（想想黑暗森林理论）。

构建 W3bstream 作为 DePIN 验证的中间件

将上述所有观点放在一起，我们倡导基于有效性证明的方法，设想一个去中心化、共享且中立的链下验证协议（作为 IoTeX 网络的一部分）来服务 DEPIN 网络。该协议从众多较小的 DEPIN 网络中收集测量，并向智能合约提供有效性证明（例如，我们现在使用 SNARK 证明）。我们在7 月推出了 W3bstream 的开发者预览版，现在正在全力以赴按计划交付我们的主网 Sprout 版本，该版本允许社区使用质押的 IOTX 参与网络的冷启动，预计在 2023 年第四季度末或 2024 年第一季度初进行。

从更广泛的角度来看，W3bstream 是一个社区运营的分片网络，帮助各种 DEPIN 项目在平台上部署（随后更新）其验证“公式”。这些“公式”可以用 Rust、Golang、C++ 编写，更多语言将在不久的将来得到支持。它们通常看起来是这样的：

零知识证明往往伴随着性能权衡，包括较长的证明生成时间和增加的计算资源，这使得它们在某些现实世界应用中可扩展性较差。我们在zk-SNARKs基础上进行了内部优化（包括批处理），以解决这些性能问题，旨在提供更快的证明生成，同时保留零知识协议的核心益处。以下是使用上述“公式”从1000个模拟设备运行批量证明生成的基准测试结果，带有和不带GPU加速。

驾驶范围证明的基准测试

说明：常规机器 - 12线程 CPU + 64GB 内存

在明天的去中心化世界中开创信任

去中心化的物理基础设施正处于重塑我们世界多个维度的边缘。然而，释放其全部潜力的关键在于解决去中心化验证的挑战，确保这些网络的神圣性和不受攻击性。为了解决这些复杂的挑战， 我们正在组织 全球首届学术会议 在十月份举行，欢迎来自web3、密码学、物联网、安全/隐私和经济学等领域的顶尖研究人员和工程师，大家共同朝着一个共享的愿景努力。我们邀请所有热衷于推进DEPIN验证层的人士与我们在多种能力上合作。请通过 research@iotex.io与我们联系。