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）代表着我们设想和组织现实世界系统的变革性转变，涵盖能源、交通和电信等领域。通过将区块链、加密货币和智能合约与智能设备相结合，DePINs 提供了以去中心化和点对点的方式协调物理基础设施的能力。正如 a16z 的 Guy Woullet 所指出的，DePINs 的成功取决于解决一个关键挑战：确保对地理分散的服务节点进行可信验证，而不需要中央权威。在本文中，我们深入探讨 DePINs 中的去中心化验证主题，批判性分析现有解决方案，并提出 promise 扩展性而不妥协安全性和去中心化的创新途径。

DePIN 的崛起

DePINs 利用区块链和智能合约的能力，建立以物理基础设施为基础的服务开放市场。考虑一个以能源为基础的 DePIN：配备太阳能电池板的房主可以生产电力并将多余的能源输送给邻居。借助区块链并通过智能合约执行，这些能量交易会被自动记录和结算。这个过程的核心是物联网设备，例如电池和其他微电网连接硬件，使得家庭能够以可信赖的直接点对点方式分配能源，消除公用事业公司作为中介的需求。这些去中心化物理基础设施网络在 2023 年 正在获得关注，通过绕过集中式把关者，DePINs 有望提高效率，降低成本，扩大可及性，并赋予个人更多的权力。

DePIN 的构成

去中心化的物理基础设施依赖于一个 复杂的技术栈，它融合了硬件、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。

放大到典型的 DEPIN 网络（可以想象 DIMO 或 Helium、WiFimap 或 GeoDnet），通常有三种角色：

• 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、环境数据收集和能源生产。
• 中间件：主要关注验证服务节点是否按预期工作的一层。它确保将来自服务节点的真实活动和事件准确地呈现和报告给智能合约，这与 DEPIN 代币的工作方式密切相关。
• 最终用户：实际使用服务节点或设备提供的公用设施的日常人群或商业用户。在这些角色中，中间件负责通过跟踪某些指标来衡量节点提供的服务或公用设施的质量，缺乏这些指标可能会导致，如这里所提到的：

1. 自我交易：参与者可能会利用他们拥有的基础设施提供的服务，从中获得费用和奖励。例如，一个能源实体可以模拟从其自身储备中购买能源。由于有丰厚的补贴或初始区块奖励，自我交易变得非常有利可图。
2. 懒惰的服务提供商：基础设施供应商可能承诺提供服务，但要么不履行其承诺，要么提供低于标准的服务。在缺乏严格验证系统的情况下，用户则无处可退。
3. 恶意提供商：尽管与前两种情况相比更为少见，但仍有可能出现恶意实体操纵基础设施，劝说用户接受虚假的传感器数据，这与提供商的金融利益相符。没有监管的行为可能会破坏去中心化物联网（DePIN）的经济激励。信任和网络效率下降，导致出现“共同的悲剧”，提供商寻求自我利益或权力集中。在这两种情况下，去中心化、以用户为驱动的基础设施的目标受到了削弱。

验证中间件

比特币的工作量证明是一种早期的DEPIN验证形式。它利用庞大的哈希计算能力以确保安全，全球比特币网络中的每个节点都参与验证。如今的DEPIN验证采用了类似的理念。在这里，服务节点产生实用性，另一组不同的节点（作为中间件协议）介入以支持这些实用性，确保在物理世界中完成工作的有效性和真实性。这可以被称为“有用工作的证明”或“物理工作的证明”。这两个系统都强调去中心化共识在促进信任和安全方面的重要性。

设计和架构这样一个中间件并非易事。让我们从不同的角度来看待它。

视角A：可行的验证技术

在DEPIN中成功的验证需要同时满足以下两个条件：

1. 测量的真实性和完整性：来自服务节点或设备的测量代表其工作状态（例如，它们提供了某种服务，例如提供WiFi连接或收集环境数据），并且必须是真实的且未经篡改。
2. 链外计算的可信性：通常，这些测量无法直接用于验证目的。需要进行一定量的链外计算来处理它们，而这些计算需要是可靠的，例如，不能有作弊的行为。以一个以能源为中心的DEPIN为例：智能合约必须信任智能表准确测量太阳能发电，同时中间件需要验证来自该智能表的约6小时的测量，以便启动加密的链上支付。

为实现这两个目标，我们可以描绘出当前可行的技术，如下所示。

视角B：以去中心化的方式打包验证技术

在对可行的验证技术有了足够的理解后，我们需要思考如何将其打包成一个去中心化的协议。这里有一些想法：

• 硬件层需要最小化（以确保广泛的可访问性和去中心化），并且许多功能应该铭刻在中间件中，以帮助避免堆栈中其他领域的中心化风险。这类似于著名的“肥协议”，我们希望硬件层是薄的，而中间件是厚的。

• 中间件在以下方面表现得像一个公共区块链
• 无权限且中立（开源，社区运营）
• 透明且无信任，提供高安全性，能够抵御出于金融动机的复杂攻击。
• 能够针对不同场景执行各种类型的验证，因此需要嵌入可编程性（考虑智能合约）。
• 能够在需要时从硬件或应用层封装必要的功能。

视角 C：验证模式

在不同场景下，服务节点的工作方式不同。例如，在文件存储的上下文中，服务节点始终在工作（存储承诺的内容），因此对它们进行抽查是自然的，而在 DIMO（汽车数据收集）的上下文中，服务节点（安装在汽车上的设备）每 10 分钟上传一次测量，因此可以对所有测量应用验证。因此，中间件有不同的验证模式，以适应不同的 DEPIN 应用：

• 数据处理器：这是最常见的模式，服务节点或设备基本上将所有测量发送到中间件，中间件验证并处理这些测量，以生成智能合约的证明。
• 主动集成器：中间件协议主动选择一部分服务节点进行挑战（请注意，如果中间件协议足够强大，它可以“抽样”所有服务节点）。在收到节点的响应后，它进入数据处理器模式。Filecoin 中使用的随机抽样方法属于这一类别。
• 被动观察者：这是最不常见的方式，中间件只是静静地观察服务中的节点，并尝试寻找证据证明它们（没有）按预期工作（考虑黑暗森林理论）。

构建 W3bstream 作为 DePIN 验证的中间件

将上述所有观点结合起来，我们倡导基于有效性证明的方法，并设想一个去中心化、共享和中立的链下验证协议（作为 IoTeX 网络的一部分）来服务 DEPIN 网络。该协议从众多较小的 DEPIN 网络中吸收测量，并向智能合约提供有效性证明（例如，我们目前使用 SNARK 证明）。我们在 7 月 发布了 W3bstream 的开发者预览版，我们现在正在全速推进计划中的主网 Sprout 版本，允许社区使用质押的 IOTX 参与网络的冷启动，预计在 2023 年第四季度或 2024 年第一季度初进行。

在更广泛的范围内，W3bstream 是一个社区运营的分片网络，促进各种 DEPIN 项目在平台上部署（及随后更新）其验证 "公式"。这些 "公式" 可以使用 Rust、Golang、C++ 编写，更多语言将很快得到支持。它们通常如下所示：

零知识证明通常伴随着性能权衡，包括更长的证明生成时间和增加的计算资源，使得它们在某些现实应用中不那么可扩展。我们在zk-SNARKs的基础上进行了内部优化（包括批处理），以解决这些性能问题，旨在提供更快的证明生成，同时保留零知识协议的核心优势。以下是使用上述“公式”从1000个模拟设备运行批量证明生成的基准测试结果，包括和不包括GPU加速。

行驶范围的证明基准

注意：常规机器 - 12线程CPU + 64GB内存

在明天的去中心化世界中开创信任

去中心化的物理基础设施即将重塑我们世界的多个维度。然而，释放其全部潜力的关键在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。为了解决这些复杂的挑战，我们正在组织 世界首届学术会议今年十月，欢迎来自web3、密码学、物联网、安全/隐私和经济学等领域的顶级研究人员和工程师，共同朝着共享愿景努力。我们邀请所有热衷于推动DEPIN验证层发展的人与我们多方合作。请通过 [email protected].