DePIN에서의 분산 검증

IoTeX 공동 창립자 겸 CEO Raullen Chai와 IoTeX 연구원 Andrew Law 작성

분산 물리 인프라 네트워크(DePIN)는 에너지, 교통, 통신 등 현실 세계 시스템을 구상하고 조직하는 방식을 혁신적으로 변화시키고 있습니다. 블록체인, 암호화폐, 스마트 계약과 스마트 기기를 결합함으로써 DePIN은 물리적 인프라를 분산되고 피어 투 피어 방식으로 조정할 수 있는 능력을 제공합니다. a16z의 Guy Woullet가 지적한 바와 같이, DePIN의 성공은 중앙 권한 없이 지리적으로 분산된 서비스 노드의 신뢰할 수 있는 검증을 보장하는 중대한 과제를 해결하는 데 달려 있습니다. 이 글에서는 DePIN 내 분산 검증 주제를 탐구하고 기존 솔루션을 비판적으로 분석하며 보안과 분산화를 훼손하지 않으면서 확장성을 약속하는 혁신적인 방안을 제안합니다.

DePIN의 부상

DePIN은 블록체인과 스마트 계약의 힘을 활용하여 물리적 인프라에 기반한 서비스의 개방형 시장을 만듭니다. 예를 들어 에너지 기반 DePIN에서는 태양광 패널을 갖춘 가정이 전기를 생산하고 잉여 에너지를 이웃에게 전달할 수 있습니다. 블록체인으로 촉진되고 스마트 계약으로 실행되는 이러한 에너지 거래는 자동으로 기록되고 정산됩니다. 이 과정의 핵심은 배터리 및 기타 마이크로그리드 연결 하드웨어와 같은 IoT 장치로, 가정이 유틸리티 회사를 중개자로 두지 않고 신뢰할 수 있는 직접 피어 투 피어 방식으로 에너지를 분배할 수 있게 합니다. 이러한 분산 물리 인프라 네트워크는 2023년 다양한 분야에서 주목받고 있습니다. 중앙 집중식 게이트키퍼를 배제함으로써 DePIN은 효율성을 높이고 비용을 줄이며 접근성을 확대하고 개인에게 더 큰 권한을 부여할 준비가 되어 있습니다.

DePIN의 구조

분산 물리 인프라는 하드웨어, 연결성, 미들웨어, 블록체인 기반 스마트 계약, 웹 또는 모바일 앱을 결합한 정교한 기술 스택에 의존합니다.

일반적인 DePIN 네트워크(DIMO, Helium, WiFimap, GeoDnet 등)를 살펴보면 보통 세 가지 역할이 있습니다:

• 서비스 노드: WiFi/5G, 환경 데이터 수집, 에너지 생산 등 서비스를 제공하는 서버나 장치 모음.
• 미들웨어: 주로 서비스 노드가 예상대로 작동하는지 검증하는 계층입니다. 서비스 노드에서 스마트 계약으로 실제 활동과 이벤트를 정확하게 보고하고 표현하는 것을 보장하며, 이는 DePIN 토큰 작동과 밀접하게 연결될 수 있습니다.
• 최종 사용자: 서비스 노드나 장치가 제공하는 유틸리티를 실제로 사용하는 일반인 또는 기업 커뮤니티.

이 중 미들웨어는 특정 지표를 추적하여 노드의 서비스 또는 유틸리티 품질을 측정하는 역할을 담당합니다. 이 지표가 부족하면 여기서 언급된 바와 같이 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다:

1. 자가 거래: 참가자가 자신이 소유한 인프라에서 서비스를 이용하여 수수료와 보상을 축적하는 행위. 예를 들어, 에너지 업체가 자신의 저장소에서 에너지를 구매하는 시뮬레이션을 할 수 있습니다. 충분한 보조금이나 초기 블록 보상이 있다면 자가 거래는 수익성이 높아집니다.
2. 게으른 제공자: 인프라 제공자가 서비스를 약속했지만 약속을 지키지 않거나 저품질 서비스를 제공하는 경우. 엄격한 검증 시스템이 없으면 사용자는 대응할 방법이 없습니다.
3. 악의적 제공자: 앞의 두 경우보다 드물지만, 악의적인 주체가 인프라를 조작하여 자신의 재정적 이익에 부합하는 허위 센서 데이터를 사용자에게 받아들이도록 할 가능성이 있습니다.

이러한 통제되지 않은 행위는 DePIN의 경제적 인센티브를 불안정하게 만듭니다. 신뢰와 네트워크 효율성이 저하되어 제공자가 자기 이익을 추구하거나 권력 집중이 발생하는 "공유지의 비극"이 초래됩니다. 두 경우 모두 분산되고 피어 중심의 인프라라는 목표가 훼손됩니다.

검증을 위한 미들웨어

비트코인의 작업 증명은 초기 형태의 DePIN 검증입니다. 이는 막대한 해시 파워를 활용하여 보안을 보장하며, 전 세계 비트코인 네트워크의 모든 노드가 검증에 참여합니다. 현재 DePIN 검증도 유사한 정신을 따릅니다. 여기서 서비스 노드는 유틸리티를 생산하고, 별도의 노드 집합(미들웨어 프로토콜)이 이 유틸리티를 승인하여 실제 세계에서 수행된 작업의 유효성과 진위를 보장합니다. 이를 "유용한 작업 증명" 또는 "물리적 작업 증명"으로 특징지을 수 있습니다. 두 시스템 모두 신뢰와 보안을 촉진하는 분산 합의의 중요성을 강조합니다.

이러한 미들웨어를 설계하고 구축하는 것은 쉽지 않습니다. 다양한 관점에서 살펴보겠습니다.

관점 A: 검증을 위한 실현 가능한 기술

DePIN에서 성공적인 검증은 다음 두 가지가 동시에 달성될 때 이루어집니다:

1. 측정값의 진위 및 무결성: 서비스 노드나 장치에서 나온 측정값은 작업 상태(예: WiFi 연결 제공, 환경 데이터 수집 등)를 나타내며 진본이고 변조되지 않아야 합니다.
2. 오프체인 계산의 신뢰성: 일반적으로 측정값은 직접 검증에 사용될 수 없으며, 이를 처리하는 일정량의 오프체인 계산이 필요합니다. 이 계산은 신뢰할 수 있어야 하며, 부정행위가 없어야 합니다. 예를 들어 에너지 중심 DePIN에서는 스마트 계약이 스마트 미터가 태양광 에너지 생산을 정확히 측정하고, 미들웨어가 이 스마트 미터의 약 6시간 분량 측정값을 검증하여 온체인 암호화폐 결제를 시작하는 것을 신뢰하는 것이 중요합니다.

두 가지를 달성하기 위해 현재 실현 가능한 기술을 다음과 같이 정리할 수 있습니다.

관점 B: 분산 방식으로 검증 기술 패키징

실현 가능한 검증 기술을 충분히 이해한 후, 이를 분산 프로토콜에 어떻게 패키징할지 고민해야 합니다. 다음은 몇 가지 생각입니다:

• 하드웨어 계층은 최소화되어야 합니다 (광범위한 접근성과 분산화를 보장하기 위해) 그리고 많은 기능은 미들웨어에 내재되어야 합니다 스택 내 다른 영역의 중앙화 위험 회피를 돕기 위해. 이는 유명한 "Fat Protocol" 개념과 유사하며, 하드웨어 계층은 얇게, 미들웨어는 두껍게 만드는 것을 목표로 합니다.

• 미들웨어는 다음과 같은 점에서 퍼블릭 블록체인처럼 운영되어야 합니다
• 권한이 없고 중립적이어야 하며 (오픈 소스, 커뮤니티 운영)
• 투명하고 신뢰할 수 없으며, 높은 보안을 제공하고 재정적 동기에 의한 정교한 공격을 견딜 수 있어야 합니다.
• 다양한 시나리오에 대한 여러 유형의 검증을 실행할 수 있어야 하므로 프로그래밍 가능성(스마트 계약과 유사)이 내장되어야 합니다.
• 필요 시 하드웨어 또는 애플리케이션 계층의 필수 기능을 내재할 수 있어야 합니다.

관점 C: 검증 모드

다양한 시나리오에서 서비스 노드의 작동 방식이 다릅니다. 예를 들어 파일 저장 맥락에서는 서비스 노드가 약속한 데이터를 항상 저장하므로 스팟 체크가 자연스럽지만, DIMO(차량 데이터 수집)에서는 서비스 노드(차량에 장착된 장치)가 약 10분마다 측정값을 업로드하므로 모든 측정값에 검증을 적용할 수 있습니다. 따라서 미들웨어는 다양한 DePIN 애플리케이션에 적응하는 여러 검증 모드를 가집니다:

• 데이터 프로세서: 가장 일반적인 모드로, 서비스 노드나 장치가 모든 측정값을 미들웨어에 보내면 미들웨어가 이를 검증하고 처리하여 스마트 계약에 대한 증거를 생성합니다.
• 능동적 통합자: 미들웨어 프로토콜이 서비스 노드의 하위 집합을 적극적으로 선택하여 도전하고(강력한 미들웨어는 모든 노드를 샘플링할 수 있음), 노드의 응답을 받은 후 데이터 프로세서 모드로 전환합니다. Filecoin에서 사용되는 무작위 샘플링 방식이 이에 해당합니다.
• 수동 감시자: 가장 드문 방식으로, 미들웨어가 노드를 조용히 감시하며 예상대로 작동하지 않는 증거를 찾으려 합니다(다크 포레스트 이론 참조).

DePIN 검증을 위한 미들웨어로서 W3bstream 구축

앞서 언급한 모든 관점을 종합하여, 우리는 유효성 증명 기반 접근법을 지지하며, DePIN 네트워크를 위한 분산되고 공유되며 중립적인 오프체인 검증 프로토콜(IoTeX 네트워크의 일부로서)을 구상합니다. 이 프로토콜은 다수의 소규모 DePIN 네트워크에서 측정값을 수집하고 스마트 계약에 유효성 증명(현재는 SNARK 증명 사용)을 제공합니다. 우리는 7월에 W3bstream 개발자 프리뷰 버전을 출시했으며, 로드맵에 따라 2023년 4분기 말 또는 2024년 1분기 초에 커뮤니티가 스테이킹한 IOTX를 사용해 네트워크 콜드 스타트에 참여할 수 있는 메인넷 Sprout 버전을 전속력으로 제공하고 있습니다.

더 넓은 관점에서 W3bstream은 다양한 DePIN 프로젝트가 검증 "공식"을 플랫폼에 배포(및 이후 업데이트)할 수 있도록 지원하는 커뮤니티 운영 샤드 네트워크입니다. 이 "공식"은 Rust, Golang, C++로 작성할 수 있으며 곧 더 많은 언어를 지원할 예정입니다. 일반적인 예시는 다음과 같습니다:

제로 지식 증명은 종종 긴 증명 생성 시간과 높은 계산 자원 요구 등 성능 저하를 수반하여 일부 현실 세계 응용에 확장성 문제를 일으킵니다. 우리는 zk-SNARKs 위에 자체 최적화(배치 포함)를 수행하여 이러한 성능 문제를 해결하고, 제로 지식 프로토콜의 핵심 이점을 유지하면서 더 빠른 증명 생성을 목표로 합니다. 아래는 위 "공식"을 사용해 1000개의 시뮬레이션 장치에서 배치 증명 생성을 수행한 벤치마크 결과로, GPU 가속 사용 여부에 따른 차이를 보여줍니다.

Proof-of-drive-range 벤치마크

참고: 일반 기기 - 12 스레드 CPU + 64GB RAM

내일의 분산 세상에서 신뢰 선도

분산 물리 인프라는 우리 세계의 여러 차원을 재구성할 기로에 서 있습니다. 그러나 그 잠재력을 완전히 발휘하려면 분산 검증 문제를 해결하고 이 네트워크의 신성함과 불가침성을 보장해야 합니다. 이러한 복잡한 도전을 해결하기 위해 세계 최초 학술 컨퍼런스를 올 10월에 개최하며, 웹3, 암호학, IoT, 보안/프라이버시, 경제학 등 분야의 최고 연구자와 엔지니어를 초청합니다. DEPIN 검증 계층 발전에 열정을 가진 모든 분을 다양한 방식으로 협력에 초대합니다. [email protected]로 연락 바랍니다.