Vérification décentralisée dans DePIN

Par le cofondateur et PDG d'IoTeX, Raullen Chai, et le chercheur IoTeX, Andrew Law

Les réseaux d'infrastructure physique décentralisée (DePINs) représentent un changement transformateur dans la manière dont nous envisageons et organisons les systèmes du monde réel, couvrant des domaines tels que l'énergie, le transport et les télécommunications. En entrelaçant les blockchains, les cryptomonnaies et les contrats intelligents avec des dispositifs intelligents, les DePINs offrent la capacité de coordonner l'infrastructure physique de manière décentralisée et peer-to-peer. Comme l'a souligné Guy Woullet de a16z, le succès des DePINs dépend de la résolution d'un défi crucial : assurer une vérification fiable des nœuds de service géographiquement dispersés sans avoir besoin d'une autorité centrale. Dans cet article, nous explorons le sujet de la vérification décentralisée au sein des DePINs, analysons de manière critique les solutions existantes et suggérons des pistes innovantes promettant une évolutivité sans compromettre la sécurité et la décentralisation.

L'essor de DePIN

Les DePINs exploitent la puissance des blockchains et des contrats intelligents pour créer des marchés ouverts pour des services basés sur l'infrastructure physique. Prenons l'exemple d'un DePIN énergétique : les propriétaires équipés de panneaux solaires pourraient potentiellement produire de l'électricité et canaliser l'énergie excédentaire vers leurs voisins. Facilitée par les blockchains et exécutée via des contrats intelligents, ces transactions énergétiques sont automatiquement documentées et réglées. Au cœur de ce processus se trouvent les dispositifs IoT, tels que les batteries et autres matériels connectés à des micro-réseaux, qui rendent possible pour les foyers de distribuer l'énergie de manière fiable, directe et peer-to-peer, éliminant ainsi le besoin d'intermédiaires comme les compagnies d'électricité. Ces réseaux d'infrastructure physique décentralisée gagnent en popularité dans divers secteurs en 2023. En écartant les gardiens centralisés, les DePINs sont prêts à améliorer l'efficacité, réduire les coûts, augmenter l'accessibilité et offrir une plus grande autonomie aux individus.

L'anatomie de DePIN

Les infrastructures physiques décentralisées s'appuient sur une pile technologique sophistiquée qui fusionne matériel, connectivité, middleware, contrats intelligents basés sur blockchain et applications web ou mobiles.

En zoomant sur un réseau DEPIN typique (pensez à DIMO, Helium, WiFimap ou GeoDnet), il y a généralement trois rôles :

• Nœuds de service : un ensemble de serveurs ou dispositifs fournissant des services ou utilités, par exemple WiFi/5G, collecte de données environnementales et production d'énergie.
• Middleware : une couche qui se concentre principalement sur la vérification du bon fonctionnement des nœuds de service. Elle assure une représentation et un rapport précis des activités et événements réels des nœuds de service vers les contrats intelligents, ce qui peut être étroitement lié au fonctionnement des tokens DEPIN.
• Utilisateurs finaux : une communauté de personnes ou entreprises qui utilisent effectivement les utilités fournies par les nœuds de service ou dispositifs. Parmi eux, le middleware est responsable de mesurer la qualité du service ou de l'utilité des nœuds en suivant certains indicateurs, dont l'absence pourrait conduire, comme mentionné ici :

1. Auto-traitement : les participants pourraient exploiter le réseau en utilisant les services de l'infrastructure qu'ils possèdent, accumulant ainsi frais et récompenses. Par exemple, une entité énergétique pourrait simuler l'achat d'énergie depuis ses propres réserves. Avec des subventions ou récompenses initiales suffisantes, l'auto-traitement devient lucratif.
2. Fournisseurs paresseux : les fournisseurs d'infrastructure pourraient promettre des services mais ne pas respecter leurs engagements ou fournir des services de qualité inférieure. En l'absence d'un système rigoureux de vérification, les utilisateurs sont laissés sans recours.
3. Fournisseurs malveillants : bien que plus rares, il existe un risque d'entités malveillantes manipulant l'infrastructure, persuadant les utilisateurs d'accepter des données de capteurs fallacieuses alignées sur leurs intérêts financiers. Ces comportements non contrôlés peuvent déstabiliser les incitations économiques des DePINs. La confiance et l'efficacité du réseau déclinent, menant soit à une "tragédie des communs" où les fournisseurs cherchent leur propre gain, soit à une centralisation du pouvoir. Dans les deux cas, l'objectif d'une infrastructure décentralisée et pilotée par les pairs est compromis.

Le middleware pour la vérification

La preuve de travail de Bitcoin est une forme précoce de vérification DEPIN. Elle utilise une grande puissance de hachage pour assurer la sécurité, chaque nœud du réseau Bitcoin mondial participant à la vérification. La vérification DEPIN actuelle adopte une éthique similaire. Ici, les nœuds de service produisent une utilité, et un autre ensemble distinct de nœuds (en tant que protocole middleware) intervient pour valider cette utilité, garantissant la validité et l'authenticité du travail effectué dans le monde physique. Cela peut être caractérisé comme une "preuve de travail utile" ou "preuve de travail physique". Les deux systèmes soulignent l'importance du consensus décentralisé pour favoriser la confiance et la sécurité.

Concevoir et architecturer un tel middleware n'est pas trivial. Examinons-le sous différents angles.

Perspective A : Technologie réalisable pour la vérification

Une vérification réussie dans un DePIN est réalisée si les deux conditions suivantes sont remplies simultanément :

1. Authenticité et intégrité des mesures : Les mesures des nœuds de service ou dispositifs représentent leur état de travail (par exemple, ils ont fourni un certain service, comme offrir une connectivité WiFi ou collecter des données environnementales) et doivent être authentiques et non altérées.
2. Fiabilité du calcul hors chaîne : Habituellement, les mesures ne peuvent pas être utilisées directement pour la vérification. Un certain traitement hors chaîne est nécessaire, qui doit être fiable, par exemple sans tricherie. Prenons le cas d'un DePIN axé sur l'énergie : il est crucial que le contrat intelligent fasse confiance à un compteur intelligent mesurant correctement la production d'énergie solaire AINSI que le middleware vérifie peut-être 6 heures de mesures de ce compteur intelligent, afin d'initier les paiements en crypto sur la chaîne.

Pour atteindre ces deux objectifs, nous pouvons cartographier la technologie actuelle réalisable, comme ci-dessous.

Perspective B : Emballer la technologie de vérification de manière décentralisée

Après une compréhension suffisante de la technologie de vérification réalisable, nous devons réfléchir à la manière de l'intégrer dans un protocole décentralisé. Voici quelques réflexions :

• La couche matérielle doit être minimisée (pour assurer une accessibilité et une décentralisation larges) et de nombreuses fonctionnalités doivent être intégrées dans le middleware pour aider à éviter les risques de centralisation dans d'autres parties de la pile. Cela est analogue au célèbre "Fat Protocol" où l'on souhaite que la couche matérielle soit fine tandis que le middleware soit épais.

• Le middleware fonctionne comme une blockchain publique à plusieurs égards :
• être sans permission et neutre (open-source, géré par la communauté)
• être transparent et sans confiance, offrir une haute sécurité, capable de résister à des attaques sophistiquées motivées financièrement.
• être capable d'exécuter divers types de vérification pour différents scénarios, nécessitant donc une programmabilité (pensez aux contrats intelligents) intégrée.
• Être capable d'intégrer les fonctionnalités nécessaires des couches matérielle ou applicative lorsque nécessaire.

Perspective C : Modes de vérification

Dans différents scénarios, les nœuds de service fonctionnent différemment. Par exemple, dans le contexte du stockage de fichiers, les nœuds de service fonctionnent toujours (pour stocker ce qui a été promis), donc un contrôle ponctuel est naturel, tandis que dans le contexte de DIMO (collecte de données automobiles), un nœud de service (dispositif monté sur la voiture) télécharge une mesure toutes les 10 minutes, donc la vérification peut être appliquée à toutes les mesures. Par conséquent, le middleware dispose de différents modes de vérification adaptés aux diverses applications DEPIN :

• Processeur de données : c'est le mode le plus courant où les nœuds de service ou dispositifs envoient essentiellement toutes les mesures au middleware, qui les vérifie et les traite pour produire des preuves pour les contrats intelligents.
• Intégrateur proactif : le protocole middleware sélectionne activement un sous-ensemble de nœuds de service à challenger (notez que si le protocole middleware est suffisamment robuste, il peut "échantillonner" tous les nœuds de service). Après réception des réponses des nœuds, il passe en mode processeur de données. L'approche d'échantillonnage aléatoire utilisée dans Filecoin appartient à cette catégorie.
• Observateur passif : c'est la méthode la moins courante où le middleware observe silencieusement les nœuds en service et tente de trouver des preuves qu'ils ne font pas ce qui est attendu (pensez à la théorie de la forêt sombre).

Construire W3bstream comme middleware pour la vérification DePIN

En réunissant toutes les perspectives mentionnées, nous défendons l'approche basée sur la preuve de validité et envisageons un protocole de vérification hors chaîne décentralisé, partagé et neutre (dans le cadre du réseau IoTeX) pour servir les réseaux DEPIN. Ce protocole assimile les mesures de nombreux petits réseaux DEPIN et fournit des preuves de validité (par exemple, nous utilisons actuellement la preuve SNARK) aux contrats intelligents. Nous avons lancé la version preview développeur de W3bstream en juillet et nous avançons maintenant à plein régime pour livrer la version Mainnet Sprout comme prévu sur notre feuille de route, permettant à la communauté d'utiliser des IOTX mis en jeu pour participer au démarrage à froid du réseau fin 2023Q4 ou début 2024Q1.

À plus grande échelle, W3bstream est un réseau de shards géré par la communauté qui facilite divers projets DEPIN dans le déploiement (et la mise à jour ultérieure) de leurs "formules" de vérification sur la plateforme. Ces "formules" peuvent être écrites en Rust, Golang, C++, avec plus de langages bientôt supportés. Voici à quoi elles ressemblent typiquement :

Les preuves à connaissance nulle sont souvent associées à des compromis de performance, notamment des temps de génération de preuve plus longs et une augmentation des ressources informatiques, ce qui les rend moins évolutives pour certaines applications réelles. Nous avons effectué des optimisations internes (y compris par lots) sur les zk-SNARKs pour résoudre ces problèmes de performance, visant à fournir une génération de preuve plus rapide tout en conservant les avantages fondamentaux des protocoles à connaissance nulle. Ci-dessous le résultat du benchmark pour la génération de preuve par lots à partir de 1000 dispositifs simulés utilisant les "formules" ci-dessus, avec et sans accélération GPU.

Benchmark de Proof-of-drive-range

Notes : machines classiques - CPU 12 threads + 64 Go RAM

Innover la confiance dans le monde décentralisé de demain

L'infrastructure physique décentralisée est sur le point de remodeler plusieurs dimensions de notre monde. Cependant, libérer tout son potentiel dépend de la résolution des défis de la vérification décentralisée, assurant la sainteté et l'invulnérabilité de ces réseaux. Pour relever ces défis complexes, nous organisons la première conférence académique mondiale en octobre, accueillant les meilleurs chercheurs et ingénieurs des domaines tels que web3, cryptographie, IoT, sécurité/confidentialité et économie, tous alignés vers une vision commune. Nous invitons tous ceux qui sont passionnés par l'avancement de la couche de vérification DEPIN à collaborer avec nous sous diverses formes. Contactez-nous à [email protected].