IoTeX財団：分散型検証を用いてDePINネットワークの安全性と効率性をどのように確保するか？
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IoTeX財団：分散型検証を用いてDePINネットワークの安全性と効率性をどのように確保するか？
本稿はDePINにおける分散型検証の問題について深く考察し、既存の解決策を批判的に分析するとともに、安全性と分散性を損なうことなくスケーラビリティを確保するための革新的なアプローチを提示する。
Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察執筆：Raullen Chai、Andrew Law
編集：TechFlow
非中央集権型物理インフラネットワーク（DePIN）は、現実世界のシステムを計画・構築する方法における転換期を示している。エネルギー、交通、通信など多岐にわたる分野にまたがり、ブロックチェーン、暗号資産、スマートコントラクトをスマートデバイスと統合することで、物理的インフラを非中央集権的かつピア・ツー・ピアの形で調整できる能力を提供する。a16zのGuy Woulletが指摘するように、DePINの成功の鍵となるのは、地理的に分散したサービスノードを信頼性を持って検証することという中心的な課題を、中央集権的管理なしに解決することにある。本稿では、DePINにおける非中央集権的検証の問題について深く考察し、既存のソリューションを批判的に分析するとともに、セキュリティや非中央集権性を損なうことなくスケーラビリティを確保するための革新的なアプローチを提案する。
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活用して、物理的インフラに根ざしたサービスのためのオープンマーケットを構築する。例えば、エネルギーを基盤とするDePINを想像しよう。太陽光パネルを備えた家庭は電力を自給でき、余剰分を近隣へ供給できる。ブロックチェーンによって仲介され、スマートコントラクトによって実行されるこれらのエネルギートランザクションは、自動的に記録・決済される。このプロセスの中核にはIoTデバイス、たとえばバッテリーなどのマイクログリッド接続ハードウェアがあり、これにより家庭は電力会社を仲介せずに信頼できる直接的なP2P方式でエネルギーを配布することが可能になる。
こうした非中央集権型物理インフラネットワークは、2023年に各業界でますます注目を集めた。中央集権的なゲートキーパーを排除することで、DePINは効率の向上、コスト削減、アクセシビリティの拡大、個人の主体性の強化を実現する可能性を秘めている。
DePINの構造
非中央集権型物理インフラは、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融合させる複雑な技術スタックに依存している。
典型的なDePINネットワーク（DIMOやHelium、WiFimap、GeoDnetなど）を詳しく見ると、通常は以下の3つの役割がある：
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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インフラを提供する一連のサーバーまたはデバイス。
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ミドルウェア：主にサービスノードが正しく機能しているかを検証するレイヤー。リアルワールドでの活動やイベントを、サービスノードからスマートコントラクトへ正確に表現・報告することを保証する。これはDePINトークンの仕組みと密接に関連する可能性がある。
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エンドユーザー：サービスノードまたはデバイスが提供するインフラを実際に利用する一般の人々または企業コミュニティ。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またはインフラの品質を測定する。これらの指標が欠如すれば、以下のような問題が生じうる：
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自己取引：参加者が自身が所有するインフラを利用してネットワークを悪用し、手数料や報酬を蓄積する可能性がある。たとえば、エネルギー事業体が自らの備蓄からエネルギーを購入したかのように装うことができる。十分な補助金や初期ブロック報酬があれば、自己取引は非常に収益性を持つ。
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怠惰なプロバイダー：インフラプロバイダーがサービス提供を約束しながら、履行しない、あるいは低品質のサービスしか提供しない場合がある。厳格な検証システムがなければ、ユーザーは苦情を申し立てる手段を持たない。
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悪意あるプロバイダー：前二つに比べれば稀だが、悪意ある実体がインフラを操作し、財務的利益と一致する偽のセンサーデータを受け入れさせようとする可能性がある。制御されなければ、このような行為はDePINの経済的インセンティブを損ない、信頼性とネットワーク効率が低下する。「共有地の悲劇」が発生し、プロバイダーは自らの利益を追求するか、あるいは権力が集中化する。いずれの場合も、非中央集権的でP2P駆動のインフラという目標は損なわれる。
検証ミドルウェア
このようなミドルウェアの設計とアーキテクチャは極めて複雑である。異なる視点から考察してみよう。
視点A：実現可能な検証技術
以下の2点が同時に達成された場合、DePINにおける検証は成功したと考えられる：
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測定値の真正性と完全性：サービスノードまたはデバイスから得られる測定値は、それらの動作状態（たとえば、WiFi接続の提供や環境データの収集といった何らかのサービスを提供した事実）を表しており、真正かつ改ざんされていない必要がある。
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オフチェーン計算の信頼性：通常、測定値は検証目的に直接使用できない。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、その計算は信頼できるものでなければならない。つまり、不正があってはならない。
エネルギー重視のDePINを例に取ると、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ていることを信用しなければならず、さらにミドルウェアがそのスマートメーターから得られた6時間分の測定値を検証した上で、オンチェーンでの暗号資産支払いを開始する。
この2点を実現するために、現在実現可能な技術を以下に列挙する：
視点B：検証技術を非中央集権的にプロトコル化する
実現可能な検証技術について十分理解した後、それをどのように非中央集権的にプロトコルとしてまとめるかを考える必要がある。ここにいくつかのアイデアがある：
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ハードウェア層は最小限に抑えるべきである（広範なアクセシビリティと非中央集権性を確保するため）。多くの機能はミドルウェアに組み込むべきであり、スタックの他の領域における中央集権化リスクを回避できる。これは著名な「ファットプロトコル理論」と似ており、ハードウェア層はスリムに、ミドルウェアはファットにしたい。
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ミドルウェアの運営は、パブリックブロックチェーンと同様に以下の特徴を持つべきである
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匿名性と中立性（オープンソース、コミュニティ運営）を許容する
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透明性と信頼不要性を持ち、高度なセキュリティを提供し、金融的動機による複雑な攻撃にも耐えうる
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さまざまな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よう、内蔵されたプログラマブル性（スマートコントラクトのようなもの）が必要である
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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。
視点C：検証方式
異なるシナリオでは、サービスノードの動作方法も異なる。たとえばファイルストレージの場合、サービスノードは常に（約束された内容を）保存しているため、サンプルチェックが可能である。一方、DIMO（自動車データ収集）では、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る。そのため、ミドルウェアは異なる検証モードを持ち、さまざまなDePINアプリケーションに対応する：
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データプロセッサ：最も一般的なモード。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・処理してスマートコントラクト向けの証明を生成する。
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アクティブインテグレータ：ミドルウェアプロトコルが能動的に一部のサービスノードを選択して質問（チャレンジ）を行う（注意：ミドルウェアプロトコルが十分に強力であれば、すべてのノードを「サンプリング」できる）。ノードの応答を得た後、データプロセッサモードに移行する。Filecoinが使うランダムサンプリング法はこのカテゴリに属する。
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パッシブオブザーバー：最も稀な方式。ミドルウェアはサービス内のノードを静かに観察し、それが（していない）期待通りの動作をしているかどうかの証拠を見つけようとする（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総合し、我々は有効性証明に基づくアプローチを推奨する。そして、非中央集権的・共有・中立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）を構想し、DePINネットワークにサービスを提供する。このプロトコルは多数の小規模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（現時点ではSNARK証明を使用）を提供する。
より広い視野から見ると、W3bstreamはコミュニティが運営するシャード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「式」をこのプラットフォームに展開（およびその後の更新）できるように支援する。これらの「式」はRust、Golang、C++などで記述でき、まもなくさらに多くの言語がサポートされる予定である。一般的には次のように記述される：
ゼロ知識証明は通常、証明生成時間が長くなる、計算リソースが多くなるといったパフォーマンス上のトレードオフを伴い、特定の実用アプリケーションにおいてスケーラビリティが低下する。我々はzk-SNARKsの内部を最適化（バッチ処理などを含む）することで、これらのパフォーマンス課題を解決し、より高速な証明生成を実現しつつ、ゼロ知識プロトコルの本質的な利点を維持することを目指している。
非中央集権型物理インフラは、私たちの世界のさまざまな側面を再構築しつつある。しかし、その真のポテンシャルを発揮する鍵は、非中央集権的検証の課題を克服し、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る。ブロックチェーン、暗号学、IoT、セキュリティ／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ともに、この共通のビジョンの実現に向けて協働できることを楽しみにしている。
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