DePINにおける分散型検証

IoTeX共同創設者兼CEOのRaullen ChaiとIoTeX研究者のAndrew Lawによる

分散型物理インフラネットワーク（DePIN）は、エネルギー、交通、通信などの現実世界のシステムの構想と組織の方法に革命的な変化をもたらします。ブロックチェーン、暗号通貨、スマートコントラクトとスマートデバイスを組み合わせることで、DePINは物理インフラを分散型かつピアツーピア方式で調整する能力を提供します。a16zのGuy Woulletが指摘したように、DePINの成功は、中央権限なしで地理的に分散したサービスノードの信頼できる検証を確保するという重要な課題の解決にかかっています。この記事では、DePIN内の分散型検証のテーマに深く入り込み、既存のソリューションを批判的に分析し、セキュリティと分散化を損なうことなくスケーラビリティを約束する革新的な道筋を提案します。

DePINの台頭

DePINはブロックチェーンとスマートコントラクトの力を活用して、物理インフラに根ざしたサービスのオープンマーケットプレイスを形成します。例えば、エネルギーを基盤とするDePINでは、太陽光パネルを備えた住宅所有者が電力を生産し、余剰エネルギーを近隣に供給することが可能です。ブロックチェーンによって促進され、スマートコントラクトによって実行されるこれらのエネルギー取引は自律的に記録・決済されます。このプロセスの中心には、バッテリーやその他のマイクログリッド接続ハードウェアなどのIoTデバイスがあり、住宅が信頼できる直接のピアツーピア方式でエネルギーを分配し、公益事業者を仲介者として必要としません。これらの分散型物理インフラネットワークは、2023年に多様なセクターで注目を集めています。中央集権的なゲートキーパーを排除することで、DePINは効率を高め、コストを削減し、アクセス性を向上させ、個人により大きな権限を与えることが期待されています。

DePINの構造

分散型物理インフラは、ハードウェア、接続性、ミドルウェア、ブロックチェーンベースのスマートコントラクト、ウェブやモバイルアプリを融合した高度な技術スタックに依存しています。

典型的なDEPINネットワーク（DIMOやHelium、WiFimap、GeoDnetを想像してください）には通常、3つの役割があります：

• サービスノード: WiFi/5G、環境データ収集、エネルギー生産などのサービスやユーティリティを提供するサーバーやデバイスの集合体。
• ミドルウェア: 主にサービスノードが期待通りに機能しているかを検証する層。サービスノードからスマートコントラクトへの現実世界の活動やイベントの正確な表現と報告を保証し、これはDEPINトークンの動作に密接に関連することがあります。
• エンドユーザー: サービスノードやデバイスが提供するユーティリティを実際に利用する一般の人々や企業のコミュニティ。中でも、ミドルウェアは特定の指標を追跡してノードのサービスやユーティリティの品質を測定する責任を負っています。これが欠如すると、ここで述べられているように、以下の問題が生じる可能性があります：

1. 自己取引: 参加者が自分の所有するインフラからサービスを利用し、料金や報酬を不正に得る可能性。例えば、エネルギー事業者が自分の備蓄からエネルギーを購入するふりをすること。十分な補助金や初期ブロック報酬があれば、自己取引は利益を生みます。
2. 怠惰な提供者: インフラ提供者がサービスを約束しても、それを履行しなかったり、質の低いサービスを提供したりすること。厳格な検証システムがなければ、ユーザーは対処できません。
3. 悪意のある提供者: 上記2つより稀ですが、悪意ある者がインフラを操作し、提供者の経済的利益に沿った偽のセンサーデータをユーザーに受け入れさせる可能性があります。これらの行動はDePINの経済的インセンティブを不安定にし、信頼とネットワーク効率を低下させ、提供者の自己利益追求や権力の中央集権化という「共有地の悲劇」を引き起こし、分散型ピア駆動インフラの目的を損ないます。

検証のためのミドルウェア

Bitcoinのプルーフ・オブ・ワークはDEPIN検証の初期形態です。膨大なハッシュパワーを活用してセキュリティを確保し、世界中のBitcoinネットワークのすべてのノードが検証に参加します。現在のDEPIN検証も同様の精神を持ちます。ここでは、サービスノードがユーティリティを生み出し、別のノード群（ミドルウェアプロトコル）がこのユーティリティを承認し、物理世界で行われた作業の有効性と真正性を保証します。これは「有用作業の証明」または「物理作業の証明」と特徴付けられます。両システムは分散型コンセンサスの重要性を強調し、信頼とセキュリティを促進します。

このようなミドルウェアの設計と構築は容易ではありません。異なる視点から見てみましょう。

視点A：検証に適した技術

DePINでの成功した検証は以下の両方が同時に達成される場合です：

1. 測定の真正性と完全性：サービスノードやデバイスからの測定は、その作業状況（例えばWiFi接続提供や環境データ収集などのサービス提供）を表し、真正で改ざんされていない必要があります。
2. オフチェーン計算の信頼性：通常、測定は直接検証に使えず、一定量のオフチェーン計算が必要であり、それは信頼できるものでなければなりません。例えばエネルギーに焦点を当てたDePINでは、スマートメーターが太陽光発電を正確に測定し、ミドルウェアがこのスマートメーターの6時間分の測定を検証して、スマートコントラクトがオンチェーンでの暗号通貨支払いを開始することが重要です。

これら両方を達成するために、現在利用可能な技術を以下のように整理できます。

視点B：分散型での検証技術のパッケージ化

検証技術の理解が進んだ後、これを分散型プロトコルに組み込む方法を考える必要があります。以下はその考え方です：

• ハードウェア層は最小化する必要がある（広範なアクセス性と分散化を確保するため）一方、多くの機能はミドルウェアに組み込むべきであり、スタックの他の部分の中央集権リスクを回避するのに役立つ。これは有名な「Fat Protocol」に似ており、ハードウェア層を薄く、ミドルウェアを厚くしたいという考え方です。

• ミドルウェアは以下の点でパブリックブロックチェーンのように動作する
• パーミッションレスかつ中立的（オープンソース、コミュニティ運営）であること
• 透明で信頼不要、高いセキュリティを提供し、経済的動機による高度な攻撃に耐えうること
• 異なるシナリオの検証を実行可能にするためプログラム可能性（スマートコントラクトのような）を備えること
• 必要に応じてハードウェアやアプリケーション層の必要な機能を組み込めること

視点C：検証のモード

異なるシナリオでサービスノードの動作は異なります。例えば、ファイルストレージの文脈では、サービスノードは常に約束したものを保存しているためスポットチェックが自然ですが、DIMO（車両データ収集）の文脈では、サービスノード（車両に搭載されたデバイス）が約10分ごとに測定値をアップロードするため、すべての測定に検証を適用できます。したがって、ミドルウェアは異なるDEPINアプリケーションに適応するために異なる検証モードを持ちます：

• データプロセッサ: 最も一般的なモードで、サービスノードやデバイスはすべての測定をミドルウェアに送信し、それが検証・処理してスマートコントラクト用の証明を生成します。
• プロアクティブインテグレーター: ミドルウェアプロトコルがサービスノードのサブセットを積極的に選択してチャレンジ（強力な場合は全ノードをサンプリング可能）し、ノードからの応答を得た後、データプロセッサモードに移行します。Filecoinで使われるランダムサンプリング方式がこれに該当します。
• パッシブウォッチャー: 最も稀な方法で、ミドルウェアは静かにサービス中のノードを監視し、期待通りに動作していない証拠を探します（ダークフォレスト理論を想起させます）。

DePIN検証のためのミドルウェアとしてのW3bstream構築

これらの視点を総合して、私たちは有効性証明ベースのアプローチを支持し、分散型で共有され中立的なオフチェーン検証プロトコル（IoTeXネットワークの一部として）を提唱し、DEPINネットワークにサービスを提供します。このプロトコルは複数の小規模なDEPINネットワークから測定を取り込み、スマートコントラクトに有効性証明（現在はSNARK証明を使用）を提供します。2023年7月にW3bstreamの開発者プレビュー版をリリースし、ロードマップに沿ってメインネットSprout版の提供を全速力で進めています。これにより、コミュニティは2023年第4四半期末または2024年第1四半期初めにステークされたIOTXを使ってネットワークのコールドスタートに参加できます。

より広い視点では、W3bstreamはコミュニティ運営のシャードネットワークであり、さまざまなDEPINプロジェクトが検証「フォーミュラ」をプラットフォームに展開（および更新）することを支援します。これらの「フォーミュラ」はRust、Golang、C++で作成でき、今後さらに多くの言語がサポートされる予定です。典型的な例は以下の通りです：

ゼロ知識証明は、証明生成時間の長さや計算資源の増加などのパフォーマンスのトレードオフがあり、一部の実世界アプリケーションではスケーラビリティが低下します。私たちはzk-SNARKsの上にバッチ処理を含む社内最適化を行い、ゼロ知識プロトコルの核心的利点を保持しつつ、より高速な証明生成を目指しています。以下は、上記の「フォーミュラ」を用いて1000台のシミュレーションデバイスからのバッチ証明生成をGPUアクセラレーションの有無で実行したベンチマーク結果です。

Proof-of-drive-rangeのベンチマーク

注：通常のマシン - 12スレッドCPU + 64GB RAM

明日の分散型世界における信頼の先駆け

分散型物理インフラは私たちの世界の多くの側面を再形成しつつあります。しかし、その真の可能性を解き放つには、分散型検証の課題を克服し、これらのネットワークの神聖さと不変性を確保する必要があります。これらの複雑な課題に対処するために、世界初の学術会議を今年10月に開催し、web3、暗号学、IoT、セキュリティ/プライバシー、経済学などの分野からトップ研究者やエンジニアを迎え、共通のビジョンに向けて協力しています。DEPIN検証レイヤーの発展に情熱を持つすべての方々に、多様な形での協力を呼びかけています。ご興味のある方は[email protected]までご連絡ください。