W3bstream：面向 DePIN 的 Layer-2 Rollup
DePIN领域近期在加密主流中的崛起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。以下文章将深入探讨其中一些挑战,以及IoTeX核心团队通过其产品之一——W3bstream(一种以Rollup为中心的可扩展架构,用于链下数据计算)所提出的解决方案。
DePIN 知识回顾
DePIN(去中心化物理基础设施网络)领域代表着从传统基于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,即来自物理设备的数据通过物联网网关传输到云端进行处理和存储,要么是以边缘为中心的,涉及更靠近数据源处理数据的边缘服务器。这些架构虽然在物联网应用中很流行,但本质上是中心化或混合型的。然而,DePIN通过整合三项核心技术——区块链、物联网和代币经济学,引入了一种全新的方法。这种组合使得从基层开始构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,鼓励为公共利益构建应用,而不是由单一公司进行中心化部署和维护。
DePIN主要分为两大类:
- 物理资源网络(Physical Resource Networks,PRNs):这些网络专注于依赖位置的硬件,以提供独特的商品或服务。示例包括无线连接、通过特定区域的传感器实现的地理空间智能,以及汽车服务等移动应用。
- 数字资源网络(Digital Resource Networks,DRNs):DRNs激励部署硬件以提供可替代资源,例如计算能力、存储或带宽。这使得能够为视频/音频渲染或存储服务等任务创建大型网络,而无需特定位置的硬件。
DePIN领域丰富多样,众多初创公司正在探索去中心化计算、存储、带宽网络和通信协议等不同方面。无论某个项目属于哪种类别,DePIN都伴随着固有的挑战,例如建立系统身份、解决隐私问题,尤其是可扩展性问题。
DePIN 的可扩展性挑战
正如前文所提到的,由于DePIN应用的固有特性,可扩展性成为一个关键挑战。DePIN通常涵盖拥有众多设备的大规模网络,生成并处理海量数据。与此同时,与区块链技术的整合虽然提供了坚实的信任基础,但也带来了其自身的局限性。区块链以其高信任度著称,但其处理能力有限、数据存储成本高昂。这种庞大的网络和数据需求与区块链有限处理能力之间的对比,清楚地说明了DePIN应用所面临的可扩展性挑战。
以太坊的 Rollup 方法
以太坊一直在采用的解决可扩展性问题的方法是以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。
- 二层 Rollup:以太坊提议将大量工作转移到二层(Layer-2)Rollup网络,而不是仅依赖一层(主区块链)来处理所有数据处理和执行。这些网络与主区块链并行运行,但以更高效的方式处理交易。
- 交易的批量处理:二层网络从一层网络收集交易并批量处理。通过聚合多笔交易,Rollup网络可以比在主区块链上单独处理交易更高效地处理它们。
- 证明生成与验证:在批量处理交易后,二层网络会生成一个证明。该证明是一种加密证据,用于验证在Rollup网络中处理的所有交易均有效。随后,一层网络通过智能合约验证该证明。这一过程确保了在二层网络上处理的交易的完整性。
- 作为信任锚的一层网络:尽管将数据处理转移到了二层网络,一层区块链仍保留其作为核心信任锚的角色。它通过验证来自二层网络的证明来实现这一点,从而维护整体网络的完整性和安全性。
- 高效的状态转换:通过接受这些证明及由此产生的状态转换,一层网络可以更高效地处理批量交易。这种方法减轻了一层网络的负担,使其能够更有效地发挥信任锚的作用,同时处理更少但更关键的任务。
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，并且经过一定的调整后，也可以应用于DePIN领域。
W3bstream：面向DePIN的Layer-2 Rollup
如前所述，以Rollup为中心的方法同样可以用于扩展DePIN应用。这一方法正是IoTeX的W3bstream背后的核心理念，W3bstream是IoTeX专为扩展DePIN项目而打造的Layer-2网络，能够将大量链下数据压缩（聚合）成体积小得多、可验证的zk证明，以触发链上交易。现在让我们来看看这种方法的主要组成部分：
- 主权智能设备（Sovereign Smart Devices）：这对于DePIN项目中的数据可信度至关重要。这些设备部署在物理世界中，不仅收集数据，还对数据收集过程的可信度进行证明。
- 数据可用性层：该层负责临时存储从设备接收到的数据。它可以是链上或链下的，由于其短期存储的特性，与持久性存储有所不同。
- 去中心化排序网络（DSN）：DSN对从设备收集的数据达成共识，并将其存储在数据可用性层中。这种共识是进行任何有意义计算的必要前提。
- 去中心化聚合网络：该网络负责计算，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zk证明。
- Layer-1网络：Layer-1上的智能合约可以充当验证者，验证由链下聚合器生成的zk证明。通过这种方式，Layer-1成为DePIN应用的信任基础和结算层。该架构的高层流程如下：
以下各节将对该架构进行更详细的分析，首先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，最后讨论聚合证明生成过程。
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：基于TEE（可信执行环境）的方法和基于零知识证明（ZKP）的方法。
- 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中，确保数据收集的安全性。它还包括远程证明功能，允许对设备的运行状态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，而无需披露底层数据。具体实现方式因设备能力而异，性能强大的设备可在本地生成ZKP，而资源受限的设备则可采用远程生成方式。
将TEE与ZKP相结合可以增强DePIN应用中数据收集的可信度，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，尤其是针对具有多个传感器或复杂数据收集需求的设备。
数据预处理与数据可用性
DePIN架构的第二个主要组成部分涉及数据预处理以及确保数据可用性，这一过程由去中心化排序网络提供支持。该网络服务于多个DePIN项目，并解决了设备多样性带来的挑战，尤其是在通信协议方面。
去中心化排序网络：
- 功能：执行数据预处理。当来自各种设备的数据到达时，网络对其进行处理，以确保数据的统一性和兼容性。
- 验证流程：
网络中的每个节点通过两个步骤验证数据：
1）确认数据收集过程的有效性，方法是检查支持TEE的设备生成的证明报告，或验证设备生成的证明。
2）验证设备的签名，以确保数据来源的真实性。
数据存储与可用性：
- 预处理后：数据经过预处理并在网络内达成共识后，将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：项目可以灵活选择自己偏好的数据可用性层。这是通过可配置的存储适配器实现的，允许将数据存储在所选的数据可用性层中。
DePIN架构的这一组件在标准化和保障来自各种设备的数据流安全方面发挥着关键作用,确保数据得到统一处理和高效存储。
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项目中计算的关键过程。
聚合节点与计算池:
- 该网络由构成链下计算资源池的聚合节点组成,该资源池在所有DePIN项目之间共享。
- 这些节点会根据链上状态监视器,定期选择一个空闲的聚合节点,来处理特定DePIN项目的计算任务。
聚合节点执行任务:
- 被选中的节点从数据可用性层检索数据。
- 然后,该节点为DePIN项目执行必要的计算并生成一个证明。
- 该证明会被发送到第一层(Layer 1)智能合约进行验证,之后该节点恢复为空闲状态。
为了生成这个聚合证明,该系统将利用一个分层聚合电路,其组成部分如下:
- 数据压缩电路:其功能类似于Merkle树,验证所有收集的数据均来源于特定的Merkle树根。
- 签名批量验证电路:批量验证来自设备的数据的有效性,每个数据都关联一个签名。
- DePIN计算电路:证明DePIN项目的特定计算逻辑被正确执行,例如验证医疗健康项目中的步数,或太阳能电站产生的能量。
- 证明聚合电路:将所有证明聚合为一个单一证明,供第一层(Layer 1)智能合约进行最终验证。
数据证明聚合对于确保DePIN项目中计算的完整性和可验证性至关重要,为验证链下计算和数据处理提供了一种可靠且高效的方法。
结论
总而言之,W3bstream通过其去中心化的排序器网络高效管理数据预处理,从而助力DePIN的可扩展性。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强大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——凭借其速度、安全性和成本效益,IoTeX仍然是新DePIN应用的最佳选择——但W3bstream可以支持任何区块链上的任何现有DePIN项目。其架构支持可扩展且安全的基础设施,使其成为更广泛的去中心化网络生态系统中的重要组成部分。
本文基于IoTeX研究负责人范鑫鑫(Xinxin Fan)教授和肯特州立大学的刘蕾(Lei Xiu)的研究工作。欲了解更多信息,请查看完整研究论文。
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