IoTeX 재단: 분산형 검증을 통해 DePIN 네트워크의 보안과 효율성을 어떻게 확보할 수 있을까?
저자: Raullen Chai, Andrew Law
편역: TechFlow
탈중앙화 물리 인프라 네트워크(DePIN)는 현실 세계 시스템의 계획과 조직 방식에 대한 전환을 의미한다. 에너지, 교통, 통신 등 다양한 분야를 아우르며 블록체인, 암호화폐, 스마트 계약을 스마트 기기와 결합함으로써 탈중앙화되고 P2P 방식으로 물리적 인프라를 조정할 수 있는 능력을 제공한다. a16z의 Guy Woullet이 지적했듯이 DePIN의 성공 핵심은 중앙집중적 관리 없이 지리적으로 분산된 서비스 노드의 신뢰 가능한 검증을 보장하는 핵심 과제를 해결하는 것이다. 본고는 DePIN 내 탈중앙화 검증 문제를 심층적으로 탐구하고 기존 솔루션을 비판적으로 분석하며 보안성과 탈중앙화를 해치지 않으면서도 확장성을 보장하는 혁신적 접근법을 제시한다.
DePIN의 부상
DePIN은 블록체인과 스마트 계약의 힘을 활용해 물리 인프라에 기반한 서비스를 위한 개방형 시장을 구축한다. 예를 들어 태양광 패널을 설치한 가정이 잉여 전력을 생산하여 이웃에게 공급할 수 있는 에너지 기반 DePIN을 상상해보자. 블록체인이 지원하고 스마트 계약이 실행하는 이 과정에서 이러한 에너지 거래는 자동으로 기록 및 정산될 수 있다. 이 과정의 중심에는 사물인터넷(IoT) 장비가 있으며, 배터리나 마이크로그리드 연결 하드웨어 같은 것이 가정이 전력회사라는 중개자 없이 신뢰할 수 있는 직접적인 P2P 방식으로 에너지를 분배할 수 있게 한다.
이러한 탈중앙화 물리 인프라 네트워크는 2023년 여러 산업에서 점점 더 많은 주목을 받고 있다. 중앙 집중적인 게이트키퍼를 소외시키면서 DePIN은 효율성을 높이고, 비용을 줄이며, 접근성을 확대하고 개인에게 더 큰 주도권을 부여할 가능성을 지닌다.
DePIN의 구조
탈중앙화 물리 인프라는 하드웨어, 연결성, 미들웨어, 블록체인 기반 스마트 계약 및 네트워크 또는 모바일 애플리케이션을 통합하는 복잡한 기술 스택에 의존한다.
전형적인 DePIN 네트워크(DIMO, Helium, WiFimap, GeoDnet 등)를 확대하면 일반적으로 세 가지 역할이 존재한다:
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서비스 노드: WiFi/5G, 환경 데이터 수집, 에너지 생산 등의 서비스 또는 공공 서비스를 제공하는 서버나 장비 그룹.
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미들웨어: 주로 서비스 노드가 제대로 작동하는지 검증하는 계층. 서비스 노드에서 발생한 실제 세계 활동과 사건들이 스마트 계약에 정확하게 표현되고 보고되도록 보장하며, 이는 DePIN 토큰의 작동 방식과 밀접하게 연관될 수 있다.
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최종 사용자: 서비스 노드나 장비가 제공하는 공공 서비스를 실제로 이용하는 일반 대중이나 기업 커뮤니티. 이 중 미들웨어는 특정 지표들을 추적하여 노드로부터 제공되는 서비스 또는 공공 서비스의 질을 측정하며, 이러한 지표가 부족할 경우 다음과 같은 문제가 발생할 수 있다:
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셀프 트레이딩(self-trading): 참여자가 자신이 소유한 인프라를 통해 서비스를 이용함으로써 네트워크를 악용하고 요금과 보상을 누적할 수 있다. 예를 들어 에너지 사업체가 자신의 비축분에서 에너지를 구매하는 것처럼 시뮬레이션할 수 있다. 충분한 보조금이나 초기 블록 보상이 제공된다면 셀프 트레이딩은 매우 수익성이 높아진다.
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게으른 제공자(lazy providers): 인프라 제공자는 서비스 제공을 약속하지만 이를 이행하지 않거나 낮은 품질의 서비스를 제공할 수 있다. 엄격한 검증 시스템이 부족하면 사용자는 불만을 제기할 곳이 없다.
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악의적 제공자(malicious providers): 앞선 두 경우보다는 드물지만 악의적인 실체가 인프라를 조작하여 사용자가 제공자의 재정적 이익과 일치하는 거짓 센서 데이터를 수용하도록 유도할 가능성도 있다. 제어되지 않을 경우 이러한 행동은 DePIN의 경제 인센티브를 훼손할 수 있다. 신뢰와 네트워크 효율성이 저하되어 "공유재의 비극(tragedy of the commons)"이 발생하며, 제공자들은 자신의 이익을 추구하거나 권력이 중앙집중화될 수 있다. 어느 경우든 P2P 기반의 탈중앙화 인프라라는 목표가 훼손된다.
검증 미들웨어
이러한 미들웨어의 설계와 아키텍처는 매우 복잡하다. 다양한 각도에서 살펴보자.
각도 A: 실현 가능한 검증 기술
다음 두 가지가 동시에 달성되면 DePIN 내 검증은 성공한 것으로 간주된다:
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측정의 진실성과 무결성: 서비스 노드나 장비로부터 얻은 측정값은 해당 노드의 동작 상태(예: WiFi 연결 제공 또는 환경 데이터 수집 등의 서비스를 제공했다는 사실)를 나타내며, 반드시 진실하고 조작되지 않아야 한다.
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오프체인 계산의 신뢰성: 일반적으로 측정값은 검증 목적에 직접 사용될 수 없다. 일정량의 오프체인 계산을 통해 처리해야 하는데, 이 과정이 신뢰할 수 있어야 하며 조작이 불가능해야 한다.
에너지 중심의 DePIN을 예로 들면, 스마트 계약은 스마트 미터가 태양광 발전량을 올바르게 측정했으며 미들웨어가 이 미터로부터 나온 6시간 치 측정값을 검증했음을 믿어야 하고, 그 후에야 블록체인 상에서 암호화폐 지불이 시작될 수 있다.
이 두 조건을 달성하기 위해 현재 실현 가능한 기술들을 아래와 같이 정리할 수 있다:
각도 B: 검증 기술을 탈중앙화 방식으로 프로토콜화하기
실현 가능한 검증 기술에 대해 충분히 이해한 후에는, 이를 어떻게 탈중앙화된 방식으로 프로토콜로 구성할지 고려해야 한다. 여기 몇 가지 아이디어가 있다:
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하드웨어 계층은 최소화되어야 하며(광범위한 접근성과 탈중앙화를 보장하기 위해), 많은 기능들이 미들웨어에 포함되어야 하며, 스택의 다른 영역에서의 중앙집중화 위험을 피하는 데 도움이 된다. 이것은 유명한 '뚱뚱한 프로토콜(fat protocol)' 개념과 유사하다. 하드웨어 계층은 마른(rich) 상태를 유지하고 미들웨어는 풍부한(fat) 상태가 되기를 원하는 것이다.
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미들웨어는 공공 블록체인과 유사한 방식으로 운영되어야 한다.
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익명성과 중립성을 보장하며(오픈소스, 커뮤니티 운영).
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투명하고 신뢰할 필요 없는(Trustless) 구조를 제공하며, 금융적 동기에 의해 유도되는 복잡한 공격에도 견딜 수 있는 높은 보안성을 갖춰야 한다.
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다양한 시나리오에 맞춰 다양한 유형의 검증을 수행할 수 있어야 하므로 내장된 프로그래밍 기능(스마트 계약 생각)이 필요하다.
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필요 시 하드웨어 또는 애플리케이션 계층의 필수 기능을 유지할 수 있어야 한다.
각도 C: 검증 방식
다양한 시나리오에서 서비스 노드의 동작 방식은 다르다. 예를 들어 파일 저장의 경우, 서비스 노드는 항상 작업 중이며(약속한 내용을 저장함), 따라서 샘플링 검사를 할 수 있다. 반면 DIMO(자동차 데이터 수집)의 경우, 서비스 노드(자동차에 설치된 장비)는 10분마다 측정값을 업로드하므로 모든 측정값을 검증할 수 있다. 따라서 미들웨어는 다양한 DePIN 애플리케이션에 적합한 서로 다른 검증 모드를 갖는다:
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데이터 프로세서(Data Processor): 가장 일반적인 모드로, 서비스 노드나 장비는 기본적으로 모든 측정값을 미들웨어로 보내며, 미들웨어는 이를 검증하고 처리하여 스마트 계약용 증명을 생성한다.
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액티브 인티그레이터(Active Integrator): 미들웨어 프로토콜이 일부 서비스 노드를 선택하여 도전(challenge)을 수행한다.(참고: 미들웨어 프로토콜이 충분히 강력하면 모든 서비스 노드를 '샘플링'할 수 있음). 노드의 응답을 받은 후 데이터 프로세서 모드로 전환한다. Filecoin이 사용하는 랜덤 샘플링 방법이 이 범주에 속한다.
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패시브 옵저버(Passive Observer): 가장 드문 방식으로, 미들웨어는 서비스 내 노드를 조용히 관찰하며 예상되는 작업을 (하지) 않고 있는지에 대한 증거를 찾으려 한다.(다크 포레스트 이론 참조).
W3bstream: DePIN 검증을 위한 미들웨어 구축
위의 모든 관점을 종합하여, 우리는 유효성 증명 기반 접근법을 제안하며 DePIN 네트워크를 위한 탈중앙화되고 공유되며 중립적인 오프체인 검증 프로토콜(사물인터넷 네트워크의 일부로서)을 구상한다. 이 프로토콜은 다수의 작은 DePIN 네트워크로부터 측정값을 집계하고 스마트 계약을 위해 유효성 증명(현재는 SNARK 증명 사용)을 제공한다.
더 광범위한 차원에서 보면, W3bstream은 커뮤니티가 운영하는 샤딩 네트워크로서, 다양한 DePIN 프로젝트가 검증 '공식'을 이 플랫폼에 배포하고(추후 업데이트도 가능) 활용할 수 있도록 한다. 이러한 '공식'들은 Rust, Golang, C++ 등의 언어로 작성할 수 있으며, 곧 더 많은 언어도 지원될 예정이다. 일반적으로 다음과 같은 형태를 갖는다:
제로지식 증명은 일반적으로 더 긴 증명 생성 시간과 더 많은 컴퓨팅 자원이라는 성능적 타협을 동반하므로, 일부 실제 애플리케이션에서는 확장성이 낮을 수 있다. 우리는 zk-SNARKs 기반으로 내부 최적화(배치 처리 포함)를 수행하여 이러한 성능 문제를 해결하고, 제로지식 프로토콜의 핵심 장점을 유지하면서도 더 빠른 증명 생성을 제공하는 것을 목표로 한다.
탈중앙화 물리 인프라는 우리 세상의 여러 층위를 재편하는 중이다. 그러나 그 잠재력을 완전히 발휘하기 위한 열쇠는 탈중앙화 검증의 도전 과제를 해결하고 이러한 네트워크의 신성성과 침해 불가능성을 보장하는 데 있다. 우리는 블록체인, 암호학, 사물인터넷, 보안/프라이버시, 경제학 분야의 최고 연구자들과 엔지니어들과 함께 이 공동의 비전을 실현하기를 기대한다.
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