W3bstream：一个针对 DePIN 的二层 Rollup

IoTeX Team

03 Jan 2024 • 7 min read

最近，DePIN 领域的崛起进入了加密主流，提出了若干问题和挑战，例如去中心化、可扩展性、可验证性、身份管理和数据信任。下面的文章将深入探讨这些挑战以及 IoTeX 核心团队通过其产品之一 W3bstream 提出的解决方案：一种以 Rollup 为中心的可扩展架构，用于链下数据计算。

DePIN 概述

DePIN（去中心化物理基础设施网络）领域代表了与传统基于 Web2 的物联网系统的重大转变。传统上，物联网系统要么是以云为中心的，物理设备的数据通过物联网网关传输到云进行处理和存储，要么是以边缘为中心的，涉及在源头附近处理数据的边缘服务器。这些架构虽然在物联网应用中流行，但在本质上是集中式或混合型的。然而，DePIN 通过集成三项核心技术：区块链、物联网和代币经济，提出了一种新颖的方法。这种结合使得从基础层面创建基础设施网络和机器经济成为可能。DePIN 的独特之处在于其社区驱动的模式，鼓励为公众利益建设应用，而不是由单一公司进行集中部署和维护。
DePIN 中有两个主要类别：

物理资源网络（PRNs）：这些网络专注于位置依赖的硬件，以提供独特的商品或服务。例子包括无线连接、通过特定区域的传感器提供的地理空间智能，以及汽车服务等移动应用。
数字资源网络（DRNs）：DRNs 刺激了可替代资源（如计算能力、存储或带宽）硬件的部署。这使得为视频/音频渲染或存储服务等任务创建大型网络成为可能，而无需特定位置的硬件。

DePIN 领域丰富多样，许多初创公司正在探索不同的方面，如去中心化计算、存储、带宽网络和通信协议。无论某个项目属于什么类别，DePIN 都面临着固有的挑战，例如建立系统身份、解决隐私问题，特别是可扩展性。

DePIN 可扩展性挑战

正如之前所暗示的，可扩展性显现出作为一个关键挑战，由于 DePIN 应用的固有特性。DePIN 通常包含大规模网络，具有众多设备，生成和处理大量数据。同时，与区块链技术的集成虽然提供了一个强大的信任基础，但也带来了自身的限制。区块链以其高信任因子著称，但处理能力有限，并且数据存储成本高。这种广泛的网络和数据需求与区块链的受限处理能力的对立，清楚地展示了 DePIN 应用所面临的可扩展性挑战。

以太坊 Rollup 方法

以太坊解决可扩展性问题的方式是通过一个以 Rollup 为中心的路线图。这一策略从根本上重新思考了区块链网络中数据处理和交易执行的方式。

第二层 Rollup：以太坊提议将大量工作卸载到第二层 Rollup 网络，而不是仅仅依靠第一层（主区块链）进行所有数据处理和执行。这些网络与主区块链并行运作，但以更高效的方式处理交易。
交易批处理：第二层网络从第一层网络收集交易，并以批处理的方式进行处理。通过聚合多个交易，Rollup 网络能够比在主区块链上单独处理更高效地处理这些交易。
证明生成和验证：在对交易进行批处理后，第二层网络生成一个证明。这个证明是一个加密证据，验证在 Rollup 网络中处理的所有交易都是有效的。第一层网络通过智能合约验证这个证明。这个过程确保了在第二层网络上处理的交易的完整性。
第一层作为信任锚：尽管将数据处理卸载到第二层网络，但第一层区块链仍保留作为核心信任锚的角色。它通过验证来自第二层网络的证明，从而维护整体网络的完整性和安全。
高效的状态转换：通过第一层网络接受这些证明及其结果状态转换，可以更高效地处理交易批次。这种方法减少了第一层网络的负担，使其在处理更少但更关键的任务时能够更有效地作为信任锚。

这种以 Rollup 为中心的方法使以太坊能够显著提升其可扩展性，并且可以通过某些修改适应 DePIN。

W3bstream：一个针对 DePIN 的 Layer-2 Rollup

如前所述，以 Rollup 为中心的方法也可以用于扩展 DePIN 应用。这种方法是 IoTeX 的 W3bstream 的核心理念，IoTeX 的 Layer-2 网络专门用于扩展 DePIN 项目，能够将大量的链外数据压缩（聚合）成更小的、可验证的 zk 证明，以触发链上交易。现在让我们来看一下这种方法的主要组成部分：

主权智能设备：这些设备对于 DePIN 项目中的数据可信性至关重要。它们被部署在物理世界中，不仅收集数据，还证明数据收集过程的可信性。
数据可用性层：该层负责临时存储来自设备的数据。它可以是链上或链下，与持久存储不同，由于其短期性质。
去中心化排序网络 (DSN)：DSN 就来自设备所收集的数据达成共识并将其存储在数据可用性层。这一共识对于任何有意义的计算都是必要的。
去中心化聚合网络：负责计算的网络从数据可用性层批量检索数据，并为一个或多个设备生成聚合的 zk 证明。
Layer-1 网络：Layer-1 上的智能合约可以作为验证者来验证链外聚合器生成的 zk 证明。通过这种方式，Layer-1 作为 DePIN 应用的信任基础和结算层。该架构的高层次流程如下：

以下部分将更详细地分析该架构，从如何 收集可信数据 开始，然后解释数据的 预处理 和 数据可用性，再谈到 聚合证明生成 过程。

可信数据收集

在 DePIN 应用中，可信数据收集至关重要，主要通过两种方法实现：TEE（可信执行环境） 基于和 零知识证明（ZKP） 基于。

基于 TEE 的方法：TEE 通过将数据收集代码隔离在设备的受保护区域内来确保安全的数据收集。它还包括远程证明，允许对设备的操作和代码完整性进行外部验证。
基于 ZKP 的方法：这种方法使设备能够证明其数据收集的准确性，而无需揭示底层数据。根据设备的能力有所不同，强大的设备可以进行板载 ZKP 生成，而较受限的设备则进行远程生成。

结合 TEE 和 ZKP 增强了 DePIN 应用中的数据收集可信性，从而影响相关金融系统的整体有效性。未来的研究旨在提高 ZKP 的效率，特别是针对具有多个传感器或复杂数据收集需求的设备。

数据预处理和数据可用性

DePIN 架构中的第二个主要组成部分涉及数据预处理和确保数据可用性，这由去中心化排序网络促进。该网络服务于多个 DePIN 项目，并解决设备多样性，特别是在通信协议方面的挑战。

去中心化排序网络：

功能：执行数据预处理。当来自不同设备的数据到达时，网络会处理这些数据以确保统一性和兼容性。
验证过程：
网络中的每个节点通过两个步骤验证数据：
1）通过检查 TEE 启用设备的证明报告或验证设备生成的证明来确认数据收集过程的有效性。
2）验证设备的签名，以确保数据源的真实性。

数据存储和可用性：

预处理后：数据预处理完成并在网络内达成共识后，它被存储在特定项目的数据可用性层中。
可定制的存储解决方案：项目可以灵活选择其优先的数据可用性层。这是通过可配置的存储适配器实现的，允许数据存储在选定的数据可用性层中。

DePIN架构的这个组件在标准化和确保来自各种设备的数据流方面发挥着关键作用，确保数据以统一的方式处理并高效存储。

数据证明聚合

DePIN架构的第三个组件专注于聚合证明生成，这是验证DePIN项目中计算的一个基本过程。

聚合节点和计算池：

网络由聚合节点组成，形成一个跨所有DePIN项目共享的链下计算资源池。
这些节点根据链上状态监控定期选择一个空闲的聚合节点，以处理特定DePIN项目的计算任务。

聚合节点的任务执行：

选定的节点从数据可用性层检索数据。
然后，它为DePIN项目执行必要的计算并生成证明。
该证明被发送到Layer 1智能合约进行验证，之后节点返回到空闲状态。

为了生成这个聚合证明，系统将利用由以下组件组成的分层聚合电路：

数据压缩电路：像Merkle树一样运作，验证所有收集的数据源自特定的Merkle树根。
签名批量验证电路：批量验证来自设备的数据有效性，每个数据都附有一个签名。
DePIN计算电路：证明特定DePIN项目的计算逻辑是否正确执行，例如在医疗项目中验证步骤计数或在太阳能电厂中验证产生的能源。
证明聚合电路：将所有证明聚合为一个，供Layer 1智能合约进行最终验证。

数据证明聚合在确保DePIN项目中计算的完整性和可验证性方面至关重要，提供了一种可靠和高效的方法来验证链下计算和数据处理。

结论

总之，W3bstream通过其去中心化的排序器网络高效管理数据预处理，为DePIN的可扩展性做出贡献。它支持聚合证明生成，这对于验证大规模网络中的复杂计算至关重要。通过促进链下计算并提供健全的链上证明验证机制，W3bstream显著提高了DePIN应用的吞吐量和效率。尽管W3bstream的编排依赖于IoTeX区块链，但由于其速度、安全性和成本效益，它仍然是新DePIN应用的完美选择，W3bstream可以支持任何区块链上现有的DePIN项目。其架构能够提供可扩展和安全的基础设施，使其成为去中心化网络更广泛生态系统中的一个重要组成部分。

本文基于IoTeX的研究负责人范新欣教授和凯恩特州立大学的休雷的研究成果。欲了解更多信息，请随时查看完整的研究论文这里。

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