W3bstream：DePIN的二层Rollup

IoTeX Team

03 Jan 2024 • 7 min read

最近，DePIN 领域的崛起进入了加密货币主流，这带来了几个问题和挑战，如去中心化、可扩展性、可验证性、身份管理和数据信任。下面的文章将深入探讨这些挑战以及 IoTeX 核心团队通过其产品之一 W3bstream 提出的解决方案：W3bstream是一个以 Rollup 为中心的可扩展架构，用于链下数据计算。

DePIN 介绍

DePIN（去中心化物理基础设施网络）行业代表了与传统基于 Web2 的物联网系统的重大转变。传统上，物联网系统通常依赖于云中心，即物理设备的数据通过物联网网关传输到云端进行处理和存储，或依赖边缘中心，包括在数据源附近处理数据的边缘服务器。这些架构在物联网应用中虽然流行，但本质上是中心化或混合的。然而，DePIN 通过整合区块链、物联网和代币经济学三项核心技术，提出了一种新颖的方法。这种组合使得从基层开始创建基础设施网络和机器经济成为可能。DePIN 的独特之处在于其以社区为驱动的模型，鼓励构建有利于公共利益的应用，而非由单一公司进行集中部署和维护。
DePIN 主要分为两大类：

物理资源网络（PRNs）：这些网络专注于提供独特商品或服务的地点依赖型硬件。示例包括无线连接、通过特定区域传感器获取的地理空间智能，以及汽车服务等移动应用。
数字资源网络（DRNs）：DRNs 激励硬件的部署，以用于可替代的资源，如计算能力、存储或带宽。这使得在无需位置特定硬件的情况下，创建大型网络，以进行视频/音频渲染或存储服务等任务成为可能。

DePIN 的生态环境丰富多样，许多初创公司正在探索不同的方面，如去中心化计算、存储、带宽网络和通信协议。无论某个项目属于哪种类别，DePIN 的固有挑战包括建立系统身份、解决隐私问题，以及显著的可扩展性问题。

DePIN 的可扩展性挑战

如前所述，可扩展性成为了一个关键挑战，这受到 DePIN 应用内在特性的驱动。DePIN 通常包含大规模网络，拥有众多设备，生成和处理大量数据。同时，与区块链技术的集成，虽然提供了强大的信任基础，但也带来了自身的一系列限制。区块链以高信任度而闻名，但在处理能力有限和数据存储成本高的情况下，面对广泛的网络和数据需求与区块链受限处理能力之间的对比，明显表明 DePIN 应用所面临的可扩展性挑战。

以太坊 Rollup 方法

以太坊为解决可扩展性问题所采用的方法是通过以 Rollup 为中心的路线图。这一策略从根本上重新思考了区块链网络中数据处理和交易执行的方式。

第二层 Rollup：以太坊并不是完全依赖于第一层（主区块链）进行所有数据处理和执行，而是提议将大部分工作转移到第二层 Rollup 网络。这些网络与主区块链并行运行，但以更高效的方式处理交易。
交易批量处理：第二层网络收集来自第一层网络的交易并进行批量处理。通过聚合多个交易，Rollup 网络可以比在主区块链上分别处理时更高效地处理这些交易。
证明生成与验证：在批量处理交易后，第二层网络生成一个证明。这个证明是加密证据，验证在 Rollup 网络中处理的所有交易都是有效的。第一层网络通过智能合约来验证这个证明。这个过程确保了在第二层网络上处理的交易的完整性。
第一层作为信任锚：尽管将数据处理转移到第二层网络，第一层区块链依然保持其作为核心信任锚的角色。它通过验证来自第二层网络的证明，来维护整体网络的完整性和安全性。
高效的状态转换：第一层网络接受这些证明和结果状态转变时，可以更高效地处理交易批。此方法减轻了第一层网络的负担，使其在处理更少但更关键的任务时，能够更有效地作为信任锚运作。

这种以 Rollup 为中心的方法可以显著提升以太坊的可扩展性，并且经过某些修改后，可以适应 DePIN。

W3bstream：用于 DePIN 的层 2 Rollup

如前所述，基于 Rollup 的方法也可以用于扩展 DePIN 应用。这种方法是 IoTeX 的 W3bstream 背后的核心理念，IoTeX 的层 2 网络专门针对扩展 DePIN 项目，该网络能够将大量链外数据压缩（聚合）为更小的、可验证的 zk 证明，以触发链上交易。现在让我们来看看这种方法的主要组成部分：

主权智能设备：这些设备对于 DePIN 项目中的数据可信性至关重要。它们部署在物理世界中，不仅收集数据，还证明数据收集过程的可信度。
数据可用性层：该层负责临时存储从设备接收的数据。它可以是链上或链下的，与持久存储不同，因其性质是短期的。
去中心化排序网络（DSN）：DSN 对从设备收集的数据达成共识并将其存储在数据可用性层中。该共识是进行任何有意义计算所必需的。
去中心化聚合网络：负责计算，该网络从数据可用性层批量检索数据并为一个或多个设备生成聚合 zk 证明。
层 1 网络：层 1 上的智能合约可以作为验证者来验证由链外聚合器生成的 zk 证明。通过这种方式，层 1 作为 DePIN 应用的信任基础和结算层。该架构的高级流程如下：

以下部分将更详细分析此架构，从如何收集可信数据开始，然后解释数据的 预处理 和 数据可用性，最后讨论 聚合证明生成 过程。

可信数据收集

在 DePIN 应用中，可信数据收集至关重要，主要通过两种方法实现：TEE（可信执行环境）基础和 零知识证明（ZKP）基础。

基于 TEE 的方法：TEE 通过将数据收集代码隔离在设备的受保护区域中来确保安全的数据收集。它还包括远程证明，允许对设备操作和代码完整性进行外部验证。
基于 ZKP 的方法：该方法使设备能够证明其数据收集的准确性，而无需透露底层数据。它根据设备的能力而有所不同，对于强大的设备可以进行车载 ZKP 生成，对于受限设备则进行远程生成。

将 TEE 和 ZKP 结合使用增强了 DePIN 应用中的数据收集可信性，影响相关金融系统的整体有效性。未来的研究旨在提高 ZKP 的效率，特别是对于具有多个传感器或复杂数据收集需求的设备。

数据预处理和数据可用性

DePIN 架构中的第二个主要组成部分涉及数据预处理和确保数据可用性，由去中心化排序网络提供支持。该网络为多个 DePIN 项目服务，并解决设备多样性，尤其是在通信协议方面的挑战。

去中心化排序网络：

功能：执行数据预处理。当来自各种设备的数据到达时，网络对其进行处理，以确保一致性和兼容性。
验证过程：
网络中的每个节点以两个步骤验证数据：
1）确认数据收集过程的有效性，可以通过检查 TEE 启用设备的证明报告或验证设备生成的证明来实现。
2）验证设备的签名以确保数据源的真实性。

数据存储和可用性：

预处理后：在数据经过预处理并在网络中达成共识后，数据将存储在项目特定的数据可用性层中。
可自定义存储解决方案：项目可以灵活选择其首选的数据可用性层。这是通过可配置的存储适配器实现的，允许将数据存储在所选的数据可用性层中。

DePIN架构的这一组件在标准化和保护来自多样化设备的数据流中发挥着关键作用，确保数据被统一处理并高效存储。

数据证明聚合

DePIN架构的第三个组成部分专注于聚合证明生成，这是验证DePIN项目计算的基本过程。

聚合节点和计算池：

网络由聚合节点组成，形成一个离链计算资源池，所有DePIN项目共享。
这些节点会定期根据链上状态监控选择一个空闲的聚合节点，以处理特定DePIN项目的计算任务。

聚合节点的任务执行：

选定的节点从数据可用性层获取数据。
然后，它为DePIN项目执行必要的计算并生成证明。
该证明被发送到Layer 1智能合约进行验证，之后节点返回空闲状态。

为了生成这个聚合证明，系统将利用一个分层聚合电路，包括以下组件：

数据压缩电路：像Merkle树一样工作，验证所有收集的数据源自特定的Merkle树根。
签名批量验证电路：批量验证来自设备的数据有效性，每个数据都与一个签名相关联。
DePIN计算电路：证明特定的DePIN项目计算逻辑的正确执行，如验证医疗项目中的步数或太阳能工厂产生的能量。
证明聚合电路：将所有证明聚合为一个以供Layer 1智能合约进行最终验证。

数据证明聚合对于确保DePIN项目中计算的完整性和可验证性至关重要，为验证离链计算和数据处理提供了一种可靠且高效的方法。

总结

总之，W3bstream通过其去中心化的排序器网络有效管理数据预处理，从而促进DePIN的可扩展性。它支持聚合证明生成，这对于在大规模网络中验证复杂计算至关重要。通过促进离链计算并提供一个强大的链上证明验证机制，W3bstream显著提高了DePIN应用的吞吐量和效率。尽管W3bstream的组织依赖于IoTeX区块链，由于其速度、安全性和成本效益，这仍然是新DePIN应用的完美选择，W3bstream还可以支持任何在任何区块链上的现有DePIN项目。它的架构允许一个可扩展且安全的基础设施，使其成为去中心化网络更广泛生态系统中的关键组件。

本文基于IoTeX研究主管Prof. Xinxin Fan和来自肯特州立大学的Lei Xiu的研究工作。如需更多信息，欢迎查看完整研究论文这里。

了解更多关于W3bstream及IoTeX团队为DePIN建设者和创始人提供的所有工具。如果你是DePIN的新手？在IoTeX支持的DePINscan上找到关于DePIN生态的所有信息。