IoTeX Foundation：如何用去中心化验证确保 DePIN 网络的安全与效率？

撰写：Raullen Chai、Andrew Law

编译：深潮 TechFlow

去中心化物理基础设施网络（DePIN）代表了我们对现实世界系统的规划和组织方式的转型升级。它跨越能源、交通、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，DePIN 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 指出的，DePIN 的成功关键在于解决一个核心挑战：在不需要中心化管理的情况下，确保对地理分散的服务节点进行可信验证。本文深入探讨 DePIN 中的去中心化验证问题，批判性分析现有解决方案，并提出在不影响安全性和去中心化的情况下保证可扩展性的创新途径。

DePIN 的崛起

DePIN 利用区块链和智能合约的力量，为植根于物理基础设施的服务构建开放的市场。想象一个基于能源的 DePIN：配备了太阳能电池板的家庭可以潜在地生产电力，并将剩余电力输送给邻居。在区块链的促进和智能合约的执行下，这些能源交易可以自动记录和结算。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的硬件，这使得家庭以可信赖的直接点对点方式分发能源成为可能，无需电力公司作为中间人。

这些去中心化的物理基础设施网络在 2023 年的各个行业获得越来越多的关注。通过边缘化中心化的守门人，DePIN 有望提高效率、降低成本、扩大可及性并赋予个人更大的主动权。

DePIN 的结构

去中心化的物理基础设施依靠一个复杂的技术栈，将硬件、连接性、中间件、基于区块链的智能合约和网络或移动应用程序融合在一起。

放大一个典型的 DePIN 网络（比如 DIMO 或 Helium 或 WiFimap 或 GeoDnet），它们通常有三个角色：

• 服务节点：一组提供服务或公用事业的服务器或设备，例如 WiFi/5G，环境数据收集和能源生产。

• 中间件：一层主要致力于验证服务节点是否正常工作。它确保从服务节点到智能合约的真实世界活动和事件的准确表达和报告，这可能与 DePIN 代币的工作方式紧密相关。

• 终端用户：实际使用服务节点或设备提供的公用设施的日常人士或企业社区。其中，中间件负责通过跟踪某些指标来衡量来自节点的服务或公用事业质量，如果缺少这些指标，可能会导致：

1. 自我交易：参与者可能通过使用他们拥有的基础设施获得服务来利用网络，从而累积费用和奖励。例如，一个能源实体可以模拟从自己的储备中购买能源。考虑到充足的补贴或初始区块奖励，自我交易变得非常具有收益性。

2. 懒惰的提供商：基础设施提供商可能承诺提供服务，但要么不履行承诺，要么提供质量低下的服务。如果缺乏严格的验证系统，用户无处诉苦。

3. 恶意提供商：虽然与前两种相比较少见，但存在恶意实体操纵基础设施的可能性，诱使用户接受与提供商的财务利益一致的虚假传感器数据。 如果不加以控制，这些行为可能破坏 DePIN 的经济激励。信任和网络效率下降，导致“公地悲剧”，提供商寻求自身利益，或者导致权力中心化。在这两种情况下，去中心化的以点对点为驱动的基础设施的目标都受到破坏。

验证中间件

设计和架构这样一个中间件是非常复杂的。让我们从不同的角度来看它。

角度 A：可行的验证技术

如果同时实现了以下两点，则认为 DePIN 中的验证是成功的：

1. 测量的真实性和完整性：来自服务节点或设备的测量值代表了它们的工作状态（例如，它们已经提供了某种服务，如提供 WiFi 连接或收集环境数据），并且必须是真实和未篡改的。

2. 链下计算的可信赖性：通常，测量值不能直接用于验证目的。需要进行一定量的链下计算来处理它们，这需要是可信赖的，例如不能作弊。

以一个侧重能源的 DePIN 为例：智能合约必须相信智能电表正确测量了太阳能发电量，并且中间件验证了可能来自这个智能电表的 6 小时测量值，才能在链上启动加密货币支付。

为了实现这两点，我们可以列出目前可行的技术，如下所示：

角度 B：以去中心化的方式打包验证技术

在足够了解可行的验证技术之后，我们需要考虑如何以去中心化的方式将其打包成协议。这里有一些想法：

• 硬件层需要最小化（以确保广泛的可及性和去中心化）并且许多功能应该融入中间件，以帮助避免堆栈其他领域的中心化风险。这类似于著名的“胖协议”，我们希望硬件层是瘦的，而中间件是胖的。

• 中间件的运行方式与公共区块链在以下方面类似

• 允许匿名且中立（开源，社区运营）

• 透明且无需信任，提供高安全性，能够抵御由金融动机驱动的复杂攻击

• 能够为不同场景执行各种类型的验证，因此需要内置可编程性（想想智能合约）

• 在需要时能够保留来自硬件或应用层的必要功能。

角度 C：验证方式

在不同的场景下，服务节点的工作方式不同。例如，就文件存储而言，服务节点一直在工作（存储所承诺的内容），所以可以对它们进行抽样检查，而就 DIMO（汽车数据收集）而言，一个服务节点（安装在汽车上的设备）每 10 分钟上传一次测量值，所以可以对所有测量值进行验证。因此，中间件具有不同的验证模式，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值发送给中间件，由中间件进行验证和处理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质询（注意，如果中间件协议足够强大，它可以“抽样”所有服务节点）。在获取节点的响应后，它进入数据处理器模式。Filecoin 所使用的随机抽样方法属于这一类。

• 被动观察者：这是最不常见的一种方式，中间件只是静静地观察服务中的节点，并试图找到证据表明它们是否正在（不）做预期的事情（参考黑暗森林理论）。

构建 W3bstream 作为 DePIN 验证的中间件

综合上述所有视角，我们提倡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（作为物联网网络的一部分）为 DePIN 网络服务。该协议汇总来自大量较小 DePIN 网络的测量值，并为智能合约提供有效性证明（例如，我们目前使用 SNARK 证明）。

从更广泛的层面来看，W3bstream 是一个社区运营的分片网络，它方便各种 DePIN 项目将其验证“公式”部署（及后续更新）到该平台。这些“公式”可以用 Rust、Golang、C++等语言编写，不久将支持更多语言。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更多的计算资源，这使其对某些实际应用的可扩展性较差。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，目标是提供更快的证明生成同时保留零知识协议的核心优势。

去中心化物理基础设施正处于重塑我们世界的多个层面。然而，发挥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。我们期待与区块链、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交流，一起实现这个共同的愿景。