DePIN中的去中心化验证

作者：IoTeX联合创始人兼CEO Raullen Chai 和 IoTeX研究员 Andrew Law

去中心化物理基础设施网络（DePINs）代表了我们对现实世界系统（涵盖能源、交通和电信等领域）构想和组织方式的变革。通过将区块链、加密货币和智能合约与智能设备相结合，DePINs能够以去中心化和点对点的方式协调物理基础设施。正如a16z的Guy Woullet 指出，DePINs的成功关键在于解决一个核心挑战：确保对地理分散的服务节点进行可信验证，而无需中央权威。本文深入探讨了DePIN中的去中心化验证，批判性分析现有方案，并提出了在不牺牲安全性和去中心化的前提下实现可扩展性的创新路径。

DePIN的崛起

DePINs利用区块链和智能合约的力量，打造基于物理基础设施的开放服务市场。以能源为例：配备太阳能电池板的家庭可以生产电力，并将多余的能量输送给邻居。通过区块链和智能合约，这些能源交易能够自动记录和结算。核心设备如电池和其他微电网连接硬件，使家庭能够以可信的点对点方式分配能源，消除了公用事业公司的中介角色。这些去中心化物理基础设施网络在2023年在多个行业获得关注。通过绕开中心化的守门人，DePINs有望提升效率、降低成本、扩大可及性，并赋予个人更大自主权。

DePIN的构成

去中心化物理基础设施依赖于复杂的技术栈，融合了硬件、连接性、中间件、基于区块链的智能合约以及网页或移动应用。

以典型的DEPIN网络（如DIMO、Helium、WiFimap或GeoDnet）为例，通常包含三类角色：

• 服务节点：提供服务或公用设施的一组服务器或设备，例如WiFi/5G、环境数据采集和能源生产。
• 中间件：主要负责验证服务节点是否按预期工作。它确保服务节点向智能合约准确报告现实世界的活动和事件，这与DEPIN代币的运作紧密相关。
• 终端用户：实际使用服务节点或设备提供的公用设施的个人或企业社区。在这些角色中，中间件负责通过追踪特定指标来衡量节点的服务或公用设施质量，缺乏这一环节可能导致以下问题：

1. 自我交易：参与者可能通过使用自己拥有的基础设施服务来获取费用和奖励。例如，一个能源实体可能模拟从自有储备中购买能源。在有充足补贴或初始区块奖励的情况下，自我交易变得有利可图。
2. 懒惰的提供者：基础设施提供者可能承诺提供服务，但未履行或提供低质量服务。缺乏严格的验证系统，用户无法维权。
3. 恶意提供者：虽然较少见，但存在恶意实体操纵基础设施，诱导用户接受符合其经济利益的虚假传感器数据。未经控制的行为会破坏DePIN的经济激励，导致信任和网络效率下降，出现“公地悲剧”或权力集中，破坏去中心化、点对点基础设施的目标。

验证中间件

比特币的工作量证明是DEPIN验证的早期形式。它利用大量算力确保安全，全球比特币网络中的每个节点都参与验证。如今的DEPIN验证采用类似理念。服务节点产生效用，另一组节点（作为中间件协议）对该效用进行背书，确保物理世界完成工作的有效性和真实性。这可被称为“有用工作证明”或“物理工作证明”。两者都强调去中心化共识在建立信任和安全中的重要性。

设计和构建这样的中间件并非易事。我们从不同角度来探讨。

视角A：可行的验证技术

DePIN中的成功验证需同时满足：

1. 测量的真实性和完整性：服务节点或设备的测量数据必须真实且未被篡改，反映其工作状态（如提供WiFi连接或采集环境数据）。
2. 链下计算的可信度：测量数据通常不能直接用于验证，需要一定的链下计算处理，且该计算必须可信，避免作弊。以能源DePIN为例，智能合约必须信任智能电表正确测量太阳能发电量，同时中间件验证该电表6小时的测量数据，以启动链上加密货币支付。

为实现上述目标，我们绘制了当前可行技术的图谱，如下。

视角B：以去中心化方式封装验证技术

充分理解可行验证技术后，我们需思考如何将其封装进去中心化协议。以下是一些思考：

• 硬件层需尽量简化（确保广泛可及性和去中心化），许多功能应内置于中间件，以帮助避免技术栈其他部分的中心化风险。这类似于著名的“胖协议”理念，即硬件层薄而中间件厚。

• 中间件应如公共区块链般运行，具备：
• 无许可且中立（开源、社区运营）
• 透明且无需信任，具备高安全性，能抵御由经济动机驱动的复杂攻击
• 具备可编程性（类似智能合约），支持不同场景的多种验证
• 必要时能内置硬件或应用层功能

视角C：验证模式

不同场景下，服务节点工作方式不同。例如，文件存储场景中，服务节点持续工作（存储承诺内容），自然适合抽查；而DIMO（车辆数据采集）场景中，设备每10分钟上传一次测量数据，验证可覆盖所有测量。因此，中间件针对不同DePIN应用具备多种验证模式：

• 数据处理器：最常见模式，服务节点将所有测量数据发送至中间件，由其验证处理并生成智能合约所需证明。
• 主动整合者：中间件主动选择部分服务节点进行挑战（若足够强大，可“抽样”所有节点），获取响应后进入数据处理器模式。Filecoin采用的随机抽样即属此类。
• 被动观察者：较少见，中间件静默观察服务节点，寻找其未按预期工作的证据（类似“黑暗森林”理论）。

构建W3bstream作为DePIN验证中间件

综合上述视角，我们支持基于有效性证明的方法，构想一个去中心化、共享且中立的链下验证协议（作为IoTeX网络的一部分）服务于DEPIN网络。该协议整合多个小型DEPIN网络的测量数据，向智能合约提供有效性证明（目前采用SNARK证明）。我们于7月发布了W3bstream开发者预览版，现正全速推进主网Sprout版本，计划于2023年第四季度末或2024年第一季度初启动社区质押IOTX参与网络冷启动。

更广泛来看，W3bstream是一个社区运营的分片网络，支持多个DEPIN项目在平台上部署（及更新）其验证“公式”。这些“公式”可用Rust、Golang、C++编写，未来将支持更多语言。其典型形式如下：

零知识证明通常存在性能权衡，包括较长的证明生成时间和更高的计算资源需求，限制了部分实际应用的可扩展性。我们在zk-SNARKs基础上进行了内部优化（包括批处理），旨在提供更快的证明生成速度，同时保留零知识协议的核心优势。下表为使用上述“公式”对1000台模拟设备进行批量证明生成的基准测试结果，分别展示了有无GPU加速的情况。

Proof-of-drive-range基准测试

备注：普通机器配置 - 12线程CPU + 64GB内存

引领未来去中心化世界的信任

去中心化物理基础设施正处于重塑世界多个维度的关键时刻。然而，释放其全部潜力依赖于解决去中心化验证的挑战，确保这些网络的神圣性和不可侵犯性。为应对这些复杂挑战，我们将于今年十月举办全球首个学术会议，邀请来自web3、密码学、物联网、安全/隐私和经济学等领域的顶尖研究者和工程师，共同致力于这一愿景。我们欢迎所有热衷推进DEPIN验证层的伙伴以多种方式加入合作。欢迎通过 [email protected] 联系我们。