Xác minh phi tập trung trong DePIN

IoTeX Team

10 Oct 2023• 7 min read

Tác giả: Đồng sáng lập kiêm CEO IoTeX Raullen Chai và Nhà nghiên cứu IoTeX Andrew Law

Mạng lưới Cơ sở hạ tầng Vật lý Phi tập trung (DePIN) đại diện cho một bước chuyển mang tính cách mạng trong cách chúng ta hình dung và tổ chức các hệ thống trong thế giới thực, trải rộng trên các lĩnh vực như năng lượng, giao thông và viễn thông. Bằng cách kết hợp blockchain, tiền mã hóa và hợp đồng thông minh với các thiết bị thông minh, DePIN mang lại khả năng điều phối cơ sở hạ tầng vật lý theo cách phi tập trung và ngang hàng. Như Guy Woullet của a16z đã chỉ ra, thành công của DePIN phụ thuộc vào việc giải quyết một thách thức then chốt: đảm bảo xác minh đáng tin cậy các nút dịch vụ phân tán về mặt địa lý mà không cần đến cơ quan trung ương. Trong bài viết này, chúng tôi đi sâu vào chủ đề xác minh phi tập trung trong DePIN, phân tích một cách có phê phán các giải pháp hiện có và đề xuất những hướng đi đổi mới hứa hẹn khả năng mở rộng mà không đánh đổi bảo mật và tính phi tập trung.

Sự trỗi dậy của DePIN

DePIN khai thác sức mạnh của blockchain và hợp đồng thông minh để tạo ra các thị trường mở cho những dịch vụ gắn liền với cơ sở hạ tầng vật lý. Hãy xem xét một DePIN dựa trên năng lượng: các chủ nhà được trang bị tấm pin mặt trời có thể sản xuất điện và chuyển năng lượng dư thừa cho hàng xóm. Nhờ blockchain hỗ trợ và hợp đồng thông minh thực thi, các giao dịch năng lượng này được ghi nhận và thanh toán một cách tự động. Trung tâm của quá trình này là các thiết bị IoT, chẳng hạn như pin và các phần cứng kết nối lưới điện siêu nhỏ khác, giúp các hộ gia đình có thể phân phối năng lượng theo cách ngang hàng trực tiếp và đáng tin cậy, loại bỏ nhu cầu về các công ty điện lực làm trung gian. Các mạng lưới cơ sở hạ tầng vật lý phi tập trung này đang ngày càng thu hút sự chú ý trên nhiều lĩnh vực trong năm 2023. Bằng cách gạt bỏ những người gác cổng tập trung, DePIN sẵn sàng nâng cao hiệu quả, giảm chi phí, mở rộng khả năng tiếp cận và trao cho cá nhân nhiều quyền chủ động hơn.

Cấu trúc của DePIN

Cơ sở hạ tầng vật lý phi tập trung dựa trên một ngăn xếp công nghệ tinh vi kết hợp phần cứng, kết nối, phần mềm trung gian (middleware), hợp đồng thông minh dựa trên blockchain và ứng dụng web hoặc di động.

Bảng 1 từ "A Taxonomy for Blockchain-based Decentralized Physical Infrastructure Networks (DePIN)"

Nhìn kỹ vào một mạng DEPIN điển hình (như DIMO, Helium, WiFimap hay GeoDnet), thường có ba vai trò:

Nút dịch vụ: tập hợp các máy chủ hoặc thiết bị cung cấp dịch vụ hoặc tiện ích, ví dụ WiFi/5G, thu thập dữ liệu môi trường và sản xuất năng lượng.
Middleware: một lớp chủ yếu tập trung vào việc xác minh xem các nút dịch vụ có hoạt động như mong đợi hay không. Nó đảm bảo các hoạt động và sự kiện trong thế giới thực từ các nút dịch vụ được thể hiện và báo cáo chính xác tới hợp đồng thông minh, điều có thể gắn chặt với cách thức hoạt động của token DEPIN.
Người dùng cuối: cộng đồng những người bình thường hoặc doanh nghiệp thực sự sử dụng các tiện ích do nút dịch vụ hoặc thiết bị cung cấp. Trong số này, middleware chịu trách nhiệm đo lường chất lượng dịch vụ hoặc tiện ích từ các nút bằng cách theo dõi một số chỉ số nhất định, và nếu thiếu nó có thể dẫn đến, như đã đề cập tại đây:

Tự giao dịch: Người tham gia có thể lợi dụng mạng lưới bằng cách sử dụng dịch vụ từ chính cơ sở hạ tầng họ sở hữu, tích lũy phí và phần thưởng. Ví dụ, một đơn vị năng lượng có thể giả vờ mua năng lượng từ chính nguồn dự trữ của mình. Với trợ cấp dồi dào hoặc phần thưởng khối ban đầu, việc tự giao dịch trở nên sinh lời.
Nhà cung cấp lười biếng: Các nhà cung cấp cơ sở hạ tầng có thể cam kết cung cấp dịch vụ nhưng rồi không thực hiện hoặc cung cấp dịch vụ kém chất lượng. Khi không có hệ thống xác minh nghiêm ngặt, người dùng không có cách nào để khiếu nại.
Nhà cung cấp độc hại: Mặc dù hiếm hơn so với hai trường hợp đầu, vẫn có khả năng các thực thể xấu thao túng cơ sở hạ tầng, khiến người dùng chấp nhận dữ liệu cảm biến giả mạo phù hợp với lợi ích tài chính của nhà cung cấp. Những hành vi không được kiểm soát có thể làm mất ổn định các động lực kinh tế của DePIN. Niềm tin và hiệu quả mạng lưới suy giảm, dẫn đến hoặc “bi kịch của mảnh đất công” khi các nhà cung cấp chạy theo lợi ích riêng, hoặc sự tập trung quyền lực. Trong cả hai trường hợp, mục tiêu về một cơ sở hạ tầng phi tập trung do các bên ngang hàng vận hành đều bị phá vỡ.

Middleware cho việc xác minh

Bằng chứng công việc (proof-of-work) của Bitcoin là một hình thức xác minh DEPIN sơ khai. Nó tận dụng lượng sức mạnh băm khổng lồ để đảm bảo an ninh, với mọi nút trong mạng Bitcoin toàn cầu đều tham gia vào việc xác minh. Xác minh DEPIN ngày nay áp dụng một triết lý tương tự. Ở đây, các nút dịch vụ tạo ra tiện ích, và một tập hợp nút khác biệt (đóng vai trò giao thức middleware) sẽ xác nhận tiện ích này, đảm bảo tính hợp lệ và xác thực của công việc đã được thực hiện trong thế giới vật lý. Điều này có thể được gọi là “bằng chứng công việc hữu ích” (proof-of-useful-work) hoặc “bằng chứng công việc vật lý” (proof-of-physical-work). Cả hai hệ thống đều nhấn mạnh tầm quan trọng của đồng thuận phi tập trung trong việc thúc đẩy niềm tin và an ninh.

Thiết kế và xây dựng một middleware như vậy không hề đơn giản. Hãy cùng xem xét từ các góc độ khác nhau.

Góc độ A: Công nghệ khả thi cho việc xác minh

Một quá trình xác minh thành công trong DePIN đạt được khi cả hai điều dưới đây được đáp ứng cùng lúc:

Tính xác thực và toàn vẹn của các phép đo: Các phép đo từ nút dịch vụ hoặc thiết bị thể hiện trạng thái công việc của chúng (ví dụ: chúng đã cung cấp một dịch vụ nhất định, như cung cấp kết nối WiFi hoặc thu thập dữ liệu môi trường) và phải xác thực, không bị giả mạo.
Độ tin cậy của tính toán ngoài chuỗi: Thông thường, các phép đo không thể được sử dụng trực tiếp cho mục đích xác minh. Cần một lượng tính toán ngoài chuỗi nhất định để xử lý chúng, và tính toán này cần phải đáng tin cậy, ví dụ không có gian lận. Lấy ví dụ một DePIN tập trung vào năng lượng: điều quan trọng là hợp đồng thông minh phải tin rằng đồng hồ thông minh đo chính xác lượng điện mặt trời được tạo ra, ĐỒNG THỜI middleware xác minh khoảng 6 giờ dữ liệu đo từ đồng hồ này, để khởi tạo thanh toán trên chuỗi bằng tiền mã hóa.

Để đạt được cả hai, chúng ta có thể phác họa các công nghệ khả thi hiện nay như dưới đây.

Góc độ B: Đóng gói công nghệ xác minh theo cách phi tập trung

Sau khi đã hiểu đủ về các công nghệ xác minh khả thi, chúng ta cần suy nghĩ cách đóng gói chúng vào một giao thức phi tập trung. Dưới đây là một số suy nghĩ:

Lớp phần cứng cần được tối giản (để đảm bảo khả năng tiếp cận rộng rãi và tính phi tập trung) và nhiều tính năng nên được tích hợp sẵn trong middleware để giúp tránh rủi ro tập trung hóa ở các phần khác của ngăn xếp. Điều này tương tự như “Fat Protocol” nổi tiếng, theo đó chúng ta muốn lớp phần cứng mỏng còn middleware thì dày.

*Fat Protocol (xét về cách giá trị được phân bổ) từ USV*

Middleware vận hành giống như một blockchain công khai ở các khía cạnh sau
không cần cấp phép và trung lập (mã nguồn mở, do cộng đồng vận hành)
minh bạch và không cần tin cậy, cung cấp bảo mật cao, có khả năng chống chịu các cuộc tấn công tinh vi xuất phát từ động cơ tài chính.
có thể thực hiện nhiều loại xác minh khác nhau cho các kịch bản khác nhau, do đó cần tích hợp khả năng lập trình (hãy nghĩ đến hợp đồng thông minh).
Có thể tích hợp các tính năng cần thiết từ lớp phần cứng hoặc lớp ứng dụng khi cần.

Góc độ C: Các chế độ xác minh

Trong các kịch bản khác nhau, các nút dịch vụ hoạt động khác nhau. Ví dụ, trong bối cảnh lưu trữ tệp, các nút dịch vụ luôn hoạt động (để lưu trữ những gì đã cam kết) nên việc kiểm tra ngẫu nhiên là điều tự nhiên, trong khi với DIMO (thu thập dữ liệu xe), một nút dịch vụ (thiết bị gắn trên xe) tải lên phép đo chẳng hạn mỗi 10 phút, vì vậy việc xác minh có thể được áp dụng cho tất cả các phép đo. Do đó, middleware có các chế độ xác minh khác nhau để thích ứng với các ứng dụng DEPIN riêng biệt:

Bộ xử lý dữ liệu: đây là chế độ phổ biến nhất, trong đó các nút dịch vụ hoặc thiết bị về cơ bản gửi tất cả phép đo đến middleware, nơi xác minh và xử lý chúng để tạo ra bằng chứng cho hợp đồng thông minh.
Bộ tích hợp chủ động: giao thức middleware chủ động chọn một tập con các nút dịch vụ để thách thức (lưu ý rằng nếu giao thức middleware đủ mạnh, nó có thể “lấy mẫu” tất cả các nút dịch vụ). Sau khi nhận được phản hồi từ các nút, nó chuyển sang chế độ bộ xử lý dữ liệu. Phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên được sử dụng trong Filecoin thuộc loại này.
Người quan sát thụ động: đây là cách ít phổ biến nhất, trong đó middleware chỉ âm thầm theo dõi các nút đang hoạt động và cố gắng tìm bằng chứng cho thấy chúng đang (không) làm những gì được mong đợi (hãy nghĩ đến thuyết Khu rừng tăm tối).

Xây dựng W3bstream làm middleware cho xác minh DePIN

Tổng hợp tất cả các góc độ nêu trên, chúng tôi ủng hộ phương pháp dựa trên bằng chứng hợp lệ (validity proof) và hình dung một giao thức xác minh ngoài chuỗi phi tập trung, dùng chung và trung lập (là một phần của IoTeX Network) để phục vụ các mạng DEPIN. Giao thức này tiếp nhận các phép đo từ vô số mạng DEPIN nhỏ hơn và cung cấp bằng chứng hợp lệ (ví dụ, hiện tại chúng tôi sử dụng bằng chứng SNARK) cho hợp đồng thông minh. Chúng tôi đã ra mắt phiên bản xem trước dành cho nhà phát triển của W3bstream vào tháng 7 và hiện đang dốc toàn lực để triển khai phiên bản Mainnet Sprout như kế hoạch trong lộ trình, cho phép cộng đồng sử dụng IOTX đã staking để tham gia khởi động mạng lưới vào cuối quý 4/2023 hoặc đầu quý 1/2024.

Ở quy mô rộng hơn, W3bstream là một mạng phân mảnh (shard) do cộng đồng vận hành, hỗ trợ các dự án DEPIN khác nhau triển khai (và sau đó cập nhật) các “công thức” xác minh của họ lên nền tảng. Những “công thức” này có thể được viết bằng Rust, Golang, C++, và sẽ sớm hỗ trợ thêm nhiều ngôn ngữ khác. Chúng thường trông như sau:

Bằng chứng không kiến thức (zero knowledge proof) thường đi kèm với những đánh đổi về hiệu năng, bao gồm thời gian tạo bằng chứng lâu hơn và tài nguyên tính toán tăng lên, khiến chúng kém khả năng mở rộng cho một số ứng dụng trong thế giới thực. Chúng tôi đã thực hiện các tối ưu hóa nội bộ (bao gồm xử lý theo lô) trên nền zk-SNARK để giải quyết các vấn đề hiệu năng này, nhằm cung cấp khả năng tạo bằng chứng nhanh hơn trong khi vẫn giữ được những lợi ích cốt lõi của các giao thức không kiến thức. Dưới đây là kết quả đo hiệu năng khi chạy tạo bằng chứng theo lô từ 1000 thiết bị mô phỏng sử dụng các “công thức” ở trên, có và không có tăng tốc GPU.

Tạo zk-SNARK

(trên máy thông thường)

Tạo zk-SNARK

(tăng tốc GPU)

Thời gian trung bình (khấu hao)

0,75 giây

0,06 giây

Đo hiệu năng Proof-of-drive-range

Ghi chú: máy thông thường - CPU 12 luồng + 64GB RAM

Tiên phong xây dựng niềm tin cho thế giới phi tập trung của tương lai

Cơ sở hạ tầng vật lý phi tập trung đang đứng trước ngưỡng cửa định hình lại nhiều khía cạnh của thế giới chúng ta. Tuy nhiên, việc khai mở toàn bộ tiềm năng của nó phụ thuộc vào việc giải quyết các thách thức của xác minh phi tập trung, đảm bảo tính toàn vẹn và bất khả xâm phạm của các mạng lưới này. Để giải quyết những thách thức phức tạp này, chúng tôi đang tổ chức hội nghị học thuật đầu tiên trên thế giới vào tháng 10 này, chào đón các nhà nghiên cứu và kỹ sư hàng đầu từ các lĩnh vực như web3, mật mã học, IoT, bảo mật/quyền riêng tư và kinh tế học, tất cả cùng hướng tới một tầm nhìn chung. Chúng tôi mời tất cả những ai đam mê thúc đẩy lớp xác minh DEPIN hợp tác cùng chúng tôi dưới nhiều hình thức. Hãy liên hệ với chúng tôi qua [email protected].