随着 DePIN 的快速成长并逐渐成为加密世界的主流赛道，一系列问题和挑战随之浮现，包括去中心化、可扩展性、可验证性、身份管理以及数据的可信度等。本文将深入分析这些挑战，并探讨IoTeX核心团队针对这些问题提出的解决方案：W3bstream，一个针对DePIN设计的、以Rollup技术为核心、专注于链下数据处理的可扩展网络。
DePIN 概述
DePIN（去中心化物理基础设施网络）象征着全球基础设施网络从传统的 Web2 物联网（IoT）系统向去中心化网络的根本性转变。在传统模式下，物联网系统通常以云计算为中心，即物理设备的数据通过物联网网关传输至云端进行处理和存储；或者以边缘计算为中心，即在接近数据源的地方由边缘服务器处理数据。虽然这些架构在物联网应用中广受欢迎，但它们本质上是中心化或者是混合型的。
DePIN 通过融合区块链、物联网和代币经济学这三项核心技术，引领了一种创新的网络范式，从而使得自下而上地构建分布式基础设施网络和机器经济成为可能。DePIN 的独特之处在于其网络是由社区驱动的模式，这种模式鼓励基于公共利益构建基础设施网络，而不是依靠单一公司的中心化部署和维护。
DePIN 网络主要有两大类别：
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物理资源网络（PRNs）: 这类网络专注于依赖地理位置的硬件，以提供特定的商品或服务。具体实例包括无线通信服务、通过分布在特定区域的传感器实现的地理空间智能，以及汽车服务等移动出行应用。
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数字资源网络（DRNs）: DRNs 激励硬件部署以获取通用资源，例如算力、存储空间或网络带宽；无需依赖特定地点的硬件，就可以建立大规模网络，用于执行视频或音频渲染、提供存储服务等任务。
DePIN 领域涵盖了众多应用，吸引了许多初创企业不断深入探索各种方向，包括去中心化计算、存储、带宽网络和通信协议等。无论项目聚焦于哪个特定领域，DePIN 项目普遍面临一系列共同挑战，如如何建立系统身份、应对隐私保护问题，以及尤为关键的可扩展性问题。
DePIN 可扩展性挑战
正如之前提到的，由于 DePIN 应用的固有特性，可扩展性成为了一个关键的挑战。DePIN 通常包含大规模的网络和众多设备，产生并处理大量数据。与区块链技术的整合虽然提供了坚实的信任基础，但也带来了一定的限制。区块链技术以其高信任度而闻名，却受限于有限的处理能力和高昂的数据存储成本。这种广泛网络和数据需求与区块链网络有限处理能力的矛盾，清晰地体现了 DePIN 应用正面临的可扩展性挑战。
以太坊的 Rollup 扩容方案
以太坊解决可扩展性问题的方法是采用以 Rollup 为中心的发展路线图。这一方案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。
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L2 Rollup 网络：以太坊提出的解决方案是不仅依赖L1网络（主区块链）来处理所有数据和执行任务，而是将大部分工作转移至 L2 Rollup网络。这些网络与主区块链并行运作，但以更高效的方式处理交易。
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交易的批量处理： L2 网络从 L1 网络收集交易，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单独处理每个交易更高效地处理它们。
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证明生成与验证： 在批量处理交易后，L2 网络会生成一个证明。这个证明是一个加密证据，用以验证在 Rollup 网络中处理的所有交易都是有效的。然后，L1 网络通过智能合约验证这个证明。这个过程确保了在 L2 网络上处理的交易的完整性。
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L1网络作为信任之锚： 尽管将数据处理转移到L2网络，L1 区块链仍保留其作为核心信任之锚的角色。L1 网络通过验证来自L2网络的证明来实现这一点，从而维护整个网络的完整性和安全性。
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高效状态转换： 随着 L1 网络接受这些证明及其结果的状态转换，它可以更高效地处理交易批次。这种方法减轻了 L1 网络的负担，使其能够更有效地作为信任之锚进行工作，处理更少但更关键的任务。
这种以 Rollup 为中心的扩容方案使以太坊能够显著提高其可扩展性，并且只需要一些改进即可适用于 DePIN 项目。
W3bstream: 专为 DePIN 设计的 L2 扩容网络
正如前面提到的，Rollup 技术也可以用来扩展 DePIN 应用。W3bstream 是 IoTeX 专为 DePIN 项目扩展而设计的、基于 Rollup 扩容方案的 L2 网络，能够将大量的链下数据压缩（聚合）成更小的、可验证的 zk-proofs（零知识证明），以触发链上交易。让我们来看看这种方案的主要组成部分：
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独立智能设备：这些设备在 DePIN 项目中对数据的可信度至关重要。部署在物理世界中的这些设备不仅收集数据，还证明了数据收集过程的可信性。
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数据可用性层：这一层负责暂时存储来自设备的数据。它可以是链上的或链下的，并且由于其短期性质，与持久性存储不同。
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去中心化排序器网络（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。这种共识对于进行有意义的计算是非常必要的。
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去中心化聚合器网络： 负责计算的这个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的 zk-proofs（零知识证明）。
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L1 网络：L1 层的智能合约可以作为验证器，来验证链下聚合器生成的zk-proofs。通过这种方式，L1 网络是 DePIN 应用的信任基础和结算层。
以下将更详细地分析以上架构，从如何收集可信数据，到解释数据预处理和数据可用性，最后讨论聚合证明生成过程。
I. 可信数据收集
在 DePIN 应用中，可信数据收集至关重要，主要通过以下两种方法实现：基于 TEE（可信执行环境）的方法和基于 ZKP（零知识证明）的方法。
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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内，来确保安全地收集数据。它还包括远程认证，允许外部验证设备的操作和代码完整性。
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基于 ZKP 的方法： 这种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。这种方法根据设备能力的不同而有所变化，对于功能强大的设备，可以实现板载内置 ZKP 生成；而对于能力较弱的设备，则以远程生成方式实现。
将 TEE 和 ZKP 技术的结合使用，增强了 DePIN 应用中数据收集的可信度，同时能够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。
II. 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，由去中心化排序器网络实现。这个网络服务于多个 DePIN 项目，并解决了设备多样性的挑战，特别是在通信协议方面。
去中心化排序器网络：
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功能：执行数据预处理。随着来自各种设备的数据到达，排序器网络处理数据以确保统一性和兼容性。
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验证过程：网络中的每个节点通过两个步骤验证数据：
1）确认数据收集过程的有效性，要么通过检查启用TEE的设备的认证报告，要么通过验证设备生成的证明。
2）验证设备的签名以确保数据来源的真实性。
数据存储和可用性：
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预处理后：数据预处理并在网络中达成共识后，即被存储于特定项目的数据可用性层中。
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可定制的存储解决方案：项目可以灵活选择其首选的数据可用性层。这可以通过可配置的存储适配器实现，允许数据存储在选定的数据可用性层中。
这一 DePIN 架构在标准化和保护来自多样设备的数据流动中发挥着关键作用，确保数据被统一处理并高效存储。
III. 数据证明聚合
DePIN架构的第三个组成部分集中在聚合证明的生成上，这是验证DePIN项目计算的一个重要过程。
聚合器节点和计算池：
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网络由形成链下计算资源池的聚合器节点组成，这些资源池为所有 DePIN 项目共享。
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这些节点定期选择一个闲置的聚合器，基于链上状态监控器，来处理特定 DePIN 项目的计算任务。
聚合器节点的任务执行：
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选定的节点从数据可用性层检索数据。
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然后，它执行 DePIN 项目所需的计算，并生成一个证明。
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该证明被发送到 L1 层网络的智能合约进行验证，节点返回到闲置状态。
为了生成这个聚合证明，系统将利用分层聚合电路，包括以下几个部分：
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数据压缩电路：类似于默克尔树，验证所有收集的数据是否来源于特定的默克尔树根。
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签名批量验证电路：批量验证来自设备的数据的有效性，每个数据都与一个签名相关联。
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DePIN 计算电路：证明特定 DePIN 项目的计算逻辑正确执行，如在医疗项目中验证步数或在太阳能电厂中产生的能量。
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证明聚合电路：将所有证明聚合成一个，用于最终由 L1 层网络智能合约验证。
数据证明聚合在确保 DePIN 项目计算的完整性和可验证性方面至关重要，为验证链下计算和数据处理提供了一种可靠且高效的方法。
结语
总而言之，W3bstream 通过其去中心化排序器网络高效管理数据预处理，从而促进了 DePIN 的可扩展性。它支持聚合证明生成，这对于验证大规模网络中的复杂计算至关重要。通过强化链下计算并提供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。
W3bstream 的运行依赖于 IoTeX 区块链，从速度、安全性和成本效益方面来看，它都是初创 DePIN 应用的理想选择；同时，W3bstream 可以支持任何区块链上的现有 DePIN 项目。其架构允许实现可扩展且安全的基础设施，使其成为更广泛的去中心化网络生态系统中的重要组成部分。
本文基于 IoTeX 研究负责人 Xinxin Fan 教授和肯特州立大学 Lei Xiu 的研究工作。欲了解更多信息，请查看完整的研究论文:
了解更多关于W3bstream及IoTeX团队为DePIN开发者和创始人提供的所有工具。在IoTeX开发的DePINscan上找到有关DePIN领域的所有信息：