DePIN의 탈중앙화 검증

IoTeX Team

10 Oct 2023• 7 min read

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

탈중앙화 물리적 인프라 네트워크(DePIN)는 에너지, 교통, 통신 등 여러 분야에 걸쳐 우리가 현실 세계의 시스템을 구상하고 조직하는 방식에 혁신적인 변화를 가져오고 있습니다. 블록체인, 암호화폐, 스마트 컨트랙트를 스마트 기기와 결합함으로써 DePIN은 물리적 인프라를 탈중앙화된 P2P 방식으로 조정할 수 있게 해줍니다. a16z의 Guy Woullet이 지적했듯이, DePIN의 성공은 핵심 과제, 즉 중앙 기관 없이 지리적으로 분산된 서비스 노드를 신뢰할 수 있게 검증하는 문제를 해결하는 데 달려 있습니다. 이 글에서는 DePIN 내 탈중앙화 검증이라는 주제를 깊이 살펴보고, 기존 솔루션을 비판적으로 분석하며, 보안과 탈중앙화를 희생하지 않으면서 확장성을 약속하는 혁신적인 방안을 제시합니다.

DePIN의 부상

DePIN은 블록체인과 스마트 컨트랙트의 힘을 활용하여 물리적 인프라에 기반한 서비스를 위한 개방형 마켓플레이스를 만듭니다. 에너지 기반 DePIN을 생각해 봅시다. 태양광 패널을 갖춘 주택 소유자는 전기를 생산하고 남는 에너지를 이웃에게 보낼 수 있습니다. 블록체인이 이를 지원하고 스마트 컨트랙트가 실행하므로, 이러한 에너지 거래는 자율적으로 기록되고 정산됩니다. 이 과정의 중심에는 배터리 및 기타 마이크로그리드 연결 하드웨어와 같은 IoT 기기가 있으며, 이를 통해 가정은 신뢰할 수 있는 직접적인 P2P 방식으로 에너지를 분배할 수 있어 중개자인 전력 회사가 필요 없게 됩니다. 이러한 탈중앙화 물리적 인프라 네트워크는 2023년 다양한 분야에서 주목받고 있습니다. 중앙화된 게이트키퍼를 배제함으로써 DePIN은 효율성을 높이고, 비용을 줄이며, 접근성을 확대하고, 개인에게 더 큰 주도권을 부여할 준비가 되어 있습니다.

DePIN의 구조

탈중앙화 물리적 인프라는 하드웨어, 연결성, 미들웨어, 블록체인 기반 스마트 컨트랙트, 웹 또는 모바일 앱을 결합한 정교한 기술 스택에 의존합니다.

"A Taxonomy for Blockchain-based Decentralized Physical Infrastructure Networks (DePIN)"의 표 1

전형적인 DEPIN 네트워크(DIMO, Helium, WiFimap, GeoDnet 등)를 자세히 살펴보면 일반적으로 세 가지 역할이 있습니다.

서비스 노드: WiFi/5G, 환경 데이터 수집, 에너지 생산 등 서비스나 유틸리티를 제공하는 서버 또는 기기의 집합입니다.
미들웨어: 주로 서비스 노드가 예상대로 작동하는지 검증하는 데 초점을 맞춘 계층입니다. 서비스 노드에서 발생한 현실 세계의 활동과 이벤트를 스마트 컨트랙트에 정확하게 표현하고 보고하도록 보장하며, 이는 DEPIN 토큰의 작동 방식과 긴밀하게 연결될 수 있습니다.
최종 사용자: 서비스 노드나 기기가 제공하는 유틸리티를 실제로 사용하는 일반 개인이나 기업의 커뮤니티입니다. 이 중 미들웨어는 특정 지표를 추적하여 노드가 제공하는 서비스나 유틸리티의 품질을 측정하는 역할을 담당하며, 이것이 없으면 여기에서 언급된 것처럼 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다.

자기 거래: 참여자는 자신이 소유한 인프라의 서비스를 이용하여 수수료와 보상을 쌓는 방식으로 네트워크를 악용할 수 있습니다. 예를 들어, 에너지 사업체는 자신의 비축분에서 에너지를 구매하는 것처럼 꾸밀 수 있습니다. 보조금이나 초기 블록 보상이 충분하면 자기 거래는 수익성이 높아집니다.
게으른 제공자: 인프라 제공자는 서비스를 약속하고도 이를 이행하지 않거나 수준 이하의 서비스를 제공할 수 있습니다. 엄격한 검증 시스템이 없으면 사용자는 구제받을 방법이 없습니다.
악의적인 제공자: 앞의 두 경우보다는 드물지만, 악의적인 주체가 인프라를 조작하여 제공자의 금전적 이익에 부합하는 허위 센서 데이터를 사용자가 받아들이도록 할 가능성이 있습니다. 이러한 행위를 방치하면 DePIN의 경제적 인센티브가 불안정해질 수 있습니다. 신뢰와 네트워크 효율성이 떨어지고, 제공자들이 자기 이익만 추구하는 “공유지의 비극”이나 권력의 중앙화로 이어집니다. 어느 경우든 탈중앙화된 P2P 기반 인프라라는 목표가 훼손됩니다.

검증을 위한 미들웨어

비트코인의 작업 증명은 DEPIN 검증의 초기 형태입니다. 이는 막대한 해시 파워를 활용하여 보안을 보장하며, 전 세계 비트코인 네트워크의 모든 노드가 검증에 참여합니다. 오늘날의 DEPIN 검증도 비슷한 철학을 따릅니다. 서비스 노드가 유틸리티를 생산하면, 별도의 노드 집합(미들웨어 프로토콜)이 이 유틸리티를 보증하여 물리적 세계에서 수행된 작업의 유효성과 진위를 보장합니다. 이를 “유용한 작업 증명(proof-of-useful-work)” 또는 “물리적 작업 증명(proof-of-physical-work)“이라고 부를 수 있습니다. 두 시스템 모두 신뢰와 보안을 조성하는 데 있어 탈중앙화 합의의 중요성을 강조합니다.

이러한 미들웨어를 설계하고 구축하는 것은 결코 간단하지 않습니다. 여러 관점에서 살펴보겠습니다.

관점 A: 검증을 위한 실현 가능한 기술

DePIN에서 성공적인 검증은 아래 두 가지가 동시에 달성될 때 이루어집니다.

측정값의 진위성과 무결성: 서비스 노드나 기기의 측정값은 그들의 작업 상태(예: WiFi 연결 제공이나 환경 데이터 수집과 같은 특정 서비스를 제공했음)를 나타내며, 진짜이고 변조되지 않아야 합니다.
오프체인 연산의 신뢰성: 일반적으로 측정값은 검증 목적으로 바로 사용할 수 없습니다. 이를 처리하려면 일정량의 오프체인 연산이 필요하며, 이 연산은 신뢰할 수 있어야 합니다(예: 부정행위가 없어야 함). 에너지 중심 DePIN의 경우를 예로 들면, 암호화폐로 온체인 결제를 시작하려면 스마트 컨트랙트가 스마트 미터가 태양광 발전량을 정확하게 측정한다는 것과 함께 미들웨어가 이 스마트 미터의 약 6시간 분량 측정값을 검증한다는 것을 신뢰할 수 있어야 합니다.

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

관점 B: 검증 기술을 탈중앙화 방식으로 패키징하기

실현 가능한 검증 기술을 충분히 이해했다면, 이를 탈중앙화 프로토콜로 어떻게 패키징할지 생각해야 합니다. 몇 가지 생각은 다음과 같습니다.

하드웨어 계층은 최소화되어야 하며(광범위한 접근성과 탈중앙화를 보장하기 위해) 많은 기능이 미들웨어에 내장되어야 스택의 다른 영역에서 중앙화 위험을 피하는 데 도움이 됩니다. 이는 유명한 “Fat Protocol”과 유사하게, 하드웨어 계층은 얇게, 미들웨어는 두껍게 만들고자 하는 것입니다.

미들웨어는 다음과 같은 측면에서 퍼블릭 블록체인처럼 운영됩니다
무허가형이며 중립적이어야 합니다(오픈 소스, 커뮤니티 운영).
투명하고 무신뢰적이어야 하며, 높은 보안을 제공하고, 금전적 동기에 의한 정교한 공격을 견딜 수 있어야 합니다.
다양한 시나리오에 맞는 여러 유형의 검증을 실행할 수 있어야 하므로, 프로그래밍 가능성(스마트 컨트랙트를 생각해 보세요)이 내장되어야 합니다.
필요할 때 하드웨어 또는 애플리케이션 계층의 필요한 기능을 내장할 수 있어야 합니다.

관점 C: 검증 모드

시나리오에 따라 서비스 노드의 작동 방식은 다릅니다. 예를 들어, 파일 저장의 경우 서비스 노드는 항상 작동하므로(약속한 것을 저장하기 위해) 무작위 점검이 자연스럽습니다. 반면 DIMO(차량 데이터 수집)의 경우 서비스 노드(차량에 장착된 기기)가 예컨대 10분마다 측정값을 업로드하므로 모든 측정값에 검증을 적용할 수 있습니다. 따라서 미들웨어는 서로 다른 DEPIN 애플리케이션에 맞춘 다양한 검증 모드를 갖습니다.

데이터 프로세서: 가장 일반적인 모드로, 서비스 노드나 기기가 기본적으로 모든 측정값을 미들웨어로 보내면 미들웨어가 이를 검증하고 처리하여 스마트 컨트랙트를 위한 증명을 생성합니다.
능동적 통합자: 미들웨어 프로토콜이 능동적으로 서비스 노드의 일부를 선택하여 챌린지합니다(미들웨어 프로토콜이 충분히 강력하다면 모든 서비스 노드를 “샘플링”할 수 있습니다). 노드로부터 응답을 받은 후에는 데이터 프로세서 모드로 전환됩니다. Filecoin에서 사용하는 무작위 샘플링 방식이 이 범주에 속합니다.
수동적 감시자: 가장 드문 방식으로, 미들웨어가 서비스 중인 노드를 조용히 지켜보며 노드가 기대한 대로 작동하고 있는지(또는 그렇지 않은지)에 대한 증거를 찾으려 합니다(암흑의 숲 이론을 떠올려 보세요).

DePIN 검증을 위한 미들웨어로서 W3bstream 구축

앞서 언급한 모든 관점을 종합하여, 우리는 유효성 증명 기반 접근 방식을 지지하며, DEPIN 네트워크에 서비스를 제공하는 탈중앙화되고 공유되며 중립적인 오프체인 검증 프로토콜을 구상합니다(IoTeX Network의 일부로). 이 프로토콜은 수많은 소규모 DEPIN 네트워크의 측정값을 모아 스마트 컨트랙트에 유효성 증명(예: 현재는 SNARK 증명 사용)을 제공합니다. 우리는 7월에 W3bstream 개발자 프리뷰 버전을 출시했으며, 현재 로드맵에 계획된 대로 메인넷 Sprout 버전을 전속력으로 준비하고 있습니다. 이 버전은 커뮤니티가 스테이킹된 IOTX를 사용하여 2023년 4분기 말 또는 2024년 1분기 초에 네트워크 콜드 스타트에 참여할 수 있게 합니다.

더 넓게 보면, W3bstream은 커뮤니티가 운영하는 샤드 네트워크로, 다양한 DEPIN 프로젝트가 자신의 검증 “공식”을 플랫폼에 배포(그리고 이후 업데이트)할 수 있도록 지원합니다. 이러한 “공식”은 Rust, Golang, C++로 작성할 수 있으며, 곧 더 많은 언어가 지원될 예정입니다. 일반적으로 다음과 같은 형태입니다.

영지식 증명은 더 긴 증명 생성 시간과 증가된 연산 자원 등 성능상의 트레이드오프를 수반하는 경우가 많아, 일부 현실 세계 애플리케이션에서는 확장성이 떨어집니다. 우리는 이러한 성능 문제를 해결하기 위해 zk-SNARK 위에 자체 최적화(배치 포함)를 수행했으며, 영지식 프로토콜의 핵심 이점을 유지하면서 더 빠른 증명 생성을 제공하는 것을 목표로 합니다. 아래는 위의 “공식”을 사용하여 시뮬레이션된 1000개 기기의 배치 증명 생성을 GPU 가속 유무에 따라 실행한 벤치마크 결과입니다.

zk-SNARK 생성

(일반 머신)

zk-SNARK 생성

(GPU 가속)

분할 상환 시간

0.75초

0.06초

주행 거리 증명(Proof-of-drive-range) 벤치마크

참고: 일반 머신 - 12스레드 CPU + 64GB RAM

미래 탈중앙화 세계의 신뢰를 개척하다

탈중앙화 물리적 인프라는 우리 세계의 여러 차원을 재편하기 직전에 있습니다. 그러나 그 잠재력을 온전히 발휘하려면 탈중앙화 검증의 과제를 해결하여 이러한 네트워크의 신성함과 불가침성을 보장해야 합니다. 이러한 복잡한 과제를 해결하기 위해 우리는 이번 10월에 세계 최초의 학술 회의를 개최합니다. 이 회의에는 웹3, 암호학, IoT, 보안/프라이버시, 경제학 등 분야의 최고 연구자와 엔지니어가 공동의 비전을 향해 함께합니다. DEPIN 검증 계층의 발전에 열정을 가진 모든 분들이 다양한 방식으로 우리와 협력하시기를 바랍니다. [email protected]로 연락해 주세요.