原文标题：《Decentralized Verification in DePIN》

作者：Raullen Chai、Andrew Law，IoTeX Foundation

编译：深潮 TechFlow

去中心化物理基盤インフラネットワーク（DePIN）は、現実世界のシステムの計画と組織の方法の変革を表しています。これは、エネルギー、交通、通信などの分野にまたがっています。ブロックチェーン、暗号通貨、スマートコントラクトをスマートデバイスと組み合わせることで、DePINは物理インフラを分散型かつピアツーピアの方法で調整する能力を提供します。a16zのGuy Woulletが指摘するように、DePINの成功の鍵は、中心化された管理を必要とせずに、地理的に分散したサービスノードの信頼できる検証を確保するという核心的な課題を解決することにあります。本稿では、DePINにおける分散型検証の問題を深く掘り下げ、既存の解決策を批判的に分析し、安全性と分散性を損なうことなくスケーラビリティを保証する革新的なアプローチを提案します。

DePINの台頭

DePINは、ブロックチェーンとスマートコントラクトの力を利用して、物理インフラに根ざしたサービスのためのオープンな市場を構築します。エネルギーに基づくDePINを想像してみてください：太陽光発電パネルを備えた家庭は、潜在的に電力を生産し、余剰電力を隣人に供給することができます。ブロックチェーンの促進とスマートコントラクトの実行により、これらのエネルギー取引は自動的に記録され、決済されます。このプロセスの中心には、IoTデバイス、例えばバッテリーや他のマイクログリッドに接続されたハードウェアがあり、これにより家庭が信頼できる直接的なピアツーピア方式でエネルギーを配布することが可能になります。電力会社を仲介者として必要としません。

これらの分散型物理インフラネットワークは、2023年のさまざまな業界でますます注目を集めています。中心化されたゲートキーパーを排除することで、DePINは効率を向上させ、コストを削減し、アクセス可能性を拡大し、個人により大きな主導権を与えることが期待されています。

DePINの構造

分散型物理インフラは、ハードウェア、接続性、ミドルウェア、ブロックチェーンベースのスマートコントラクト、ネットワークまたはモバイルアプリケーションを統合した複雑な技術スタックに依存しています。

典型的なDePINネットワーク（例えばDIMOやHelium、WiFimap、GeoDnetなど）を拡大すると、通常は3つの役割があります：

• サービスノード：WiFi/5G、環境データ収集、エネルギー生産などのサービスや公共事業を提供するサーバーやデバイスのグループ。

• ミドルウェア：サービスノードが正常に機能しているかを検証することに主に専念する層。これは、サービスノードからスマートコントラクトへの現実世界の活動とイベントの正確な表現と報告を確保し、これはDePINトークンの動作方法と密接に関連している可能性があります。

• エンドユーザー：サービスノードやデバイスが提供する公共施設を実際に利用する一般の人々や企業コミュニティ。ここで、ミドルウェアは特定の指標を追跡することでノードからのサービスや公共事業の質を測定し、これらの指標が欠如している場合、以下のような問題が発生する可能性があります：

1. 自己取引：参加者は、自身が所有するインフラを利用してサービスを受けることでネットワークを利用し、手数料や報酬を蓄積する可能性があります。例えば、エネルギー事業者は自分の備蓄からエネルギーを購入することを模擬することができます。十分な補助金や初期ブロック報酬を考慮すると、自己取引は非常に収益性が高くなります。

2. 怠惰な提供者：インフラ提供者はサービスを提供することを約束するかもしれませんが、約束を果たさないか、質の低いサービスを提供する可能性があります。厳格な検証システムが欠如している場合、ユーザーは不満を訴える場所がありません。

3. 悪意のある提供者：前の2つと比較して少ないですが、悪意のあるエンティティがインフラを操作し、ユーザーに提供者の財務利益と一致する虚偽のセンサーデータを受け入れさせる可能性があります。これらの行動が制御されない場合、DePINの経済的インセンティブが破壊される可能性があります。信頼とネットワークの効率が低下し、「公地の悲劇」を引き起こし、提供者が自己利益を追求するか、権力が中心化されることになります。この2つのケースでは、分散型のピアツーピア駆動のインフラの目標が損なわれます。

検証ミドルウェア

このようなミドルウェアを設計・構築することは非常に複雑です。さまざまな視点から考えてみましょう。

視点A：実行可能な検証技術

以下の2つの条件が同時に満たされる場合、DePINにおける検証は成功と見なされます：

1. 測定の真実性と完全性：サービスノードやデバイスからの測定値は、それらの稼働状態を表し（例えば、WiFi接続を提供したり、環境データを収集したりするなど）、真実で改ざんされていないものでなければなりません。

2. オフチェーン計算の信頼性：通常、測定値は直接検証目的に使用できません。これらを処理するために一定量のオフチェーン計算が必要であり、これは信頼できるものでなければなりません。つまり、詐欺ができないものでなければなりません。

エネルギーに重点を置いたDePINの例を考えてみましょう：スマートコントラクトは、スマートメーターが太陽光発電量を正しく測定したと信じなければならず、ミドルウェアはこのスマートメーターからの6時間の測定値を検証しなければなりません。そうでなければ、チェーン上で暗号通貨の支払いを開始することはできません。

これらの2つを実現するために、現在利用可能な技術を以下に示します：

視点B：分散型の方法で検証技術をパッケージ化

実行可能な検証技術を十分に理解した後、これを分散型の方法でプロトコルにパッケージ化する方法を考える必要があります。以下はいくつかのアイデアです：

• ハードウェア層は最小限に抑える必要があり（広範なアクセス可能性と分散性を確保するため）、多くの機能はミドルウェアに組み込む必要があります。これにより、スタックの他の領域における中心化リスクを回避できます。これは有名な「太ったプロトコル」に似ており、ハードウェア層はスリムで、ミドルウェアは太っていることを望みます。

• ミドルウェアの運用方法は、公共ブロックチェーンと以下の点で類似しています：

• 匿名で中立的であること（オープンソース、コミュニティ運営）

• 透明で信頼を必要とせず、高いセキュリティを提供し、金融的動機に基づく複雑な攻撃に耐えられること

• 異なるシナリオに対してさまざまなタイプの検証を実行できるため、プログラマビリティが組み込まれている必要があります（スマートコントラクトを考えてみてください）

• 必要に応じて、ハードウェアまたはアプリケーション層からの必要な機能を保持できること。

視点C：検証方法

異なるシナリオにおいて、サービスノードの動作方法は異なります。例えば、ファイルストレージに関しては、サービスノードは常に稼働しており（約束された内容を保存）、サンプリング検査が可能です。一方、DIMO（自動車データ収集）に関しては、サービスノード（車両に取り付けられたデバイス）は10分ごとに測定値をアップロードするため、すべての測定値を検証できます。したがって、ミドルウェアは異なるDePINアプリケーションに適応するために異なる検証モードを持っています：

• データプロセッサ：これは最も一般的なモードで、サービスノードまたはデバイスは基本的にすべての測定値をミドルウェアに送信し、ミドルウェアが検証と処理を行い、スマートコントラクトの証明を生成します。

• アクティブインテグレーター：ミドルウェアプロトコルは、サービスノードの一部を選択して質疑を行います（注意：ミドルウェアプロトコルが十分に強力であれば、すべてのサービスノードを「サンプリング」することができます）。ノードの応答を取得した後、データプロセッサモードに入ります。Filecoinが使用するランダムサンプリング手法はこのカテゴリに属します。

• パッシブオブザーバー：これは最も一般的でない方法で、ミドルウェアはサービス内のノードを静かに観察し、それらが期待されることを（しない）証拠を見つけようとします（ダークフォレスト理論を参照）。

W3bstreamをDePIN検証のミドルウェアとして構築する

上記のすべての視点を統合し、我々は有効性証明に基づくアプローチを提唱し、分散型、共有、そして中立的なオフチェーン検証プロトコル（IoTネットワークの一部として）をDePINネットワークに提供することを想定しています。このプロトコルは、多数の小規模なDePINネットワークからの測定値を集約し、スマートコントラクトに有効性証明を提供します（例えば、現在使用しているSNARK証明のように）。

より広い視点から見ると、W3bstreamはコミュニティ運営のシャーディングネットワークであり、さまざまなDePINプロジェクトがその検証「公式」をこのプラットフォームにデプロイ（およびその後の更新）することを容易にします。これらの「公式」は、Rust、Golang、C++などの言語で記述され、近い将来、さらに多くの言語をサポートする予定です。通常、以下のようになります：

ゼロ知識証明は通常、より長い証明生成時間やより多くの計算リソースを含むパフォーマンスのトレードオフを伴い、これが特定の実用的なアプリケーションのスケーラビリティを低下させます。我々は、これらのパフォーマンスの問題を解決するために、内部的に最適化を行い（バッチ処理を含む）、ゼロ知識プロトコルの核心的な利点を保持しつつ、より迅速な証明生成を提供することを目指しています。

分散型物理インフラは、我々の世界を再構築する多くの側面において重要な役割を果たしています。しかし、その全潜在能力を発揮するための鍵は、分散型検証の課題を解決し、これらのネットワークの神聖性と不可侵性を確保することにあります。我々は、ブロックチェーン、暗号学、IoT、安全/プライバシー、経済学などの分野のトップ研究者やエンジニアとの交流を楽しみにしており、この共通のビジョンを実現するために共に取り組んでいきたいと考えています。