a16z: Почему DePIN критически важен и как мы заставим это работать?

Автор:Guy Wuollet

Перевод: TechFlow

Существующие сети физической инфраструктуры, такие как телекоммуникации, энергетика, водоснабжение и транспорт, обычно являются естественными монополиями — рынками, где стоимость предоставления продукта или услуги одним предприятием значительно ниже, чем затраты, необходимые для поощрения конкуренции. В большинстве развитых стран эти сети находятся под контролем сложного государственного регулирования и правил. Однако такая модель практически не стимулирует инновации, не говоря уже об улучшении клиентского опыта, оптимизации пользовательского интерфейса, повышении качества обслуживания или ускорении реакции. Кроме того, эти сети часто неэффективны и плохо обслуживаются. Например, лесные пожары в Калифорнии, приведшие к банкротству PG&E, или регуляторная политика, защищающая существующие телекоммуникационные компании, подтверждают это. В развивающихся странах ситуация еще хуже: многие такие услуги либо отсутствуют, либо дороги и scarce.

Мы можем сделать лучше. Децентрализованные сети физической инфраструктуры предоставляют нам возможность выйти за рамки существующих монополистических систем и построить более мощные, удобные для инвестиций и прозрачные сети. Протоколы DePIN (Decentralized Physical Infrastructure Network, децентрализованная сеть физической инфраструктуры) — это сервисы, принадлежащие и управляемые пользователями, где любой может внести вклад в работу ключевой инфраструктуры, обеспечивающей нашу повседневную жизнь. Эти протоколы имеют потенциал стать важной демократизирующей силой,推动 общество к большей эффективности и открытости.

В этой статье я объясню, что такое DePIN и почему это важно. Также я поделюсь框架 для оценки протоколов DePIN и обсужу вопросы, которые необходимо задать при построении протоколов DePIN, особенно проблему верификации.

Что такое DePIN?

Децентрализованная сеть физической инфраструктуры (DePIN) — это любая достаточно децентрализованная сеть, которая использует криптографические технологии и механизм дизайна, чтобы гарантировать, что клиенты могут запрашивать физические услуги у набора поставщиков услуг, тем самым разрушая естественные монополии и принося преимущества конкуренции (мы подробно обсудим это ниже). Клиенты обычно являются конечными пользователями, но также могут быть приложениями, действующими от имени конечных пользователей. Поставщики услуг обычно являются малыми предприятиями, но в зависимости от сети могут также включать гиг-работников и даже крупные традиционные компании. Здесь “децентрализация” относится к децентрализации власти и контроля, а не просто к физическому распределению или децентрализации структур данных.

При правильном дизайне протоколы DePIN могут поощрять пользователей и малые предприятия участвовать в сетях физической инфраструктуры и совместно управлять их развитием со временем, одновременно предоставляя прозрачные стимулы для вклада. Подобно тому, как интернет主导用户生成内容, DePIN предоставляет возможность для физического мира,主导用户生成服务。更重要的是，正如区块链正在打破垄断科技公司“吸引 - 榨取”的循环，DePIN 协议也可以帮助打破物理世界中的公用事业垄断。

Практический пример DePIN: Энергетические сети

Возьмем энергетику в качестве примера: энергетическая сеть США даже в некрипто среде движется к децентрализации. Узкие места передачи и длительные задержки в подключении новых генерирующих мощностей к сети создают спрос на децентрализованные генерирующие мощности. Дома и предприятия могут развертывать солнечные панели для генерации энергии на краю сети или устанавливать батареи для хранения электроэнергии. Это означает, что они не только покупают энергию у сети, но и могут продавать энергию обратно в сеть.

По мере распространения генерации на краю и хранения энергии, многие устройства, подключенные к сети, больше не принадлежат коммунальным компаниям. Эти устройства, принадлежащие пользователям, могут极大地 benefiting the grid by storing and releasing energy at critical times, so why are they not fully utilized? Existing utility companies cannot effectively access status information of these devices, nor can they purchase control over them. The Daylight protocol is providing a solution to the fragmentation problem in the energy industry. Daylight is building a decentralized network that allows users to sell status information of their grid-connected devices and enables energy companies to pay for temporary control of these devices. In short, Daylight is creating a decentralized virtual power plant.

Этот результат может привести к более мощной и эффективной энергетической сети, генерирующим мощностям, принадлежащим пользователям, лучшим данным и меньшим предположениям о доверии по сравнению с централизованной монополией. Именно в этом заключается обещание DePIN.

Руководство по построению DePIN

Протоколы DePIN обладают огромным потенциалом для улучшения ключевой физической инфраструктуры, с которой мы сталкиваемся ежедневно, но для достижения этой цели необходимо преодолеть как минимум три вызова:

1. Определить, необходима ли децентрализация в конкретном случае;

2. Выход на рынок;

3. Проблема верификации, которая является самой сложной частью.

Я намеренно игнорировал любые конкретные технические вызовы в определенных областях физической инфраструктуры. Это не потому, что эти вызовы не важны, а потому, что они специфичны для области. В этой статье я сосредоточен на построении децентрализованных сетей на абстрактном уровне и предоставлении рекомендаций для всех проектов DePIN across different physical industries.

1. Почему выбрать DePIN?

Две распространенные причины для построения протоколов DePIN: снижение капитальных затрат (Capex) на развертывание оборудования и агрегация分散的资源容量. Кроме того, протоколы DePIN могут создавать нейтральные платформы для разработчиков поверх физической инфраструктуры, которые могут разблокировать инновации без разрешений, такие как открытые API данных энергии или нейтральные рынки такси. Через децентрализацию протоколы DePIN достигают устойчивости к цензуре, устраняют риски платформы и способствуют инновациям без разрешений — эта композируемость и инновации без разрешений являются ключевыми причинами процветания Ethereum (Ethereum) и Solana. Традиционно развертывание сетей физической инфраструктуры было дорогостоящим и обычно требовало централизованной компании для выполнения, тогда как DePIN分散了成本和控制权通过去中心化的所有权。

1.1 Капитальные затраты (Capex)

Многие протоколы DePIN снижают значительные или даже不可行的 капитальные затраты, которые обычно должна нести централизованная компания, поощряя пользователей покупать оборудование и участвовать в работе сети. Высокие капитальные затраты являются одной из причин, по которой многие инфраструктурные проекты считаются естественными монополиями, и снижение капитальных затрат дает протоколам DePIN структурное преимущество.

Возьмем телекоммуникационную отрасль в качестве примера. Принятие новых сетевых стандартов часто затруднено из-за высоких капитальных затрат, необходимых для развертывания нового оборудования. Например, один анализ предсказывает, что только развертывание сотовой сети 5G в США потребует до 275 миллиардов долларов частных инвестиций.

Для сравнения, сеть DePIN Helium успешно развернула крупнейшую в мире сеть дальнего радиуса действия с низким энергопотреблением (LoRaWAN) без масштабных предварительных инвестиций в оборудование одним实体。LoRaWAN 是一个非常适合物联网（IoT）用例的标准。Helium 与硬件制造商合作开发了 LoRaWAN 路由器，使用户可以直接从制造商处购买这些路由器。随后，这些用户成为了网络的所有者和运营者，为需要 LoRaWAN 连接的客户提供服务，并从中获得报酬。目前，Helium 正专注于扩展其5G 蜂窝网络覆盖。

如果像 Helium 那样部署一个物联网网络，需要承担巨大的前期资本支出风险，并赌注是否有足够大的客户群愿意购买该新网络的连接服务。然而，作为一个 DePIN 协议，Helium 通过去中心化的方式验证了其市场供给端，并大幅降低了成本结构。

1.2 资源容量

在某些情况下，物理资源中存在大量潜在的闲置容量，但由于复杂性，现有企业难以将其有效整合。例如，硬盘上的空闲空间。在任何单个硬盘上，这些空间可能都太小，不足以引起像 AWS 这样的存储公司的注意。然而，当通过像 Filecoin 这样的 DePIN 协议聚合起来时，这些分散的空间就能转变为一个云存储服务提供商。DePIN 协议能够利用区块链技术协调普通用户的资源，从而让他们为大规模网络做出贡献。

1.3 无许可创新

DePIN 协议解锁的最关键功能是无许可创新：任何人都可以基于该协议进行构建。这与传统的本地电力公司电网等垄断基础设施形成了鲜明对比。与降低资本支出或整合资源容量相比，无许可创新的潜力往往被低估。

无许可创新使物理基础设施能够以软件的速度发展。我们常听到这样的说法：数字领域（“bits”）的创新速度令人赞叹，而物理领域（“atoms”）的创新速度却令人失望。DePIN 为开发者和投资者提供了一个将“原子”变得更像“比特”的重要路径。当世界上任何拥有互联网连接的人都可以提出新的方法来组织和协调运行我们世界的物理系统时，聪明而富有创造力的人们就能发明出比现有更优的解决方案。

1.4 可组合性

无许可创新能够加速“原子”向“比特”转变的原因在于可组合性。可组合性允许开发者专注于打造最优的单点解决方案，并使该解决方案能够轻松集成。我们已经在去中心化金融（DeFi）的“资金乐高”（money legos）中见证了这种力量。而在 DePIN 中，“基础设施乐高”（infrastructure legos）也可以产生类似的影响。

2. 推向市场：机遇与挑战

构建 DePIN 协议比构建区块链更困难，因为它需要同时解决去中心化协议和传统业务的双重挑战。比特币和以太坊的起步相对独立于传统金融和云计算领域，而大多数 DePIN 协议并没有这样的奢侈条件，它们与物理世界中的现有问题密切相关。

大多数 DePIN 领域从第一天起就必须与现有的中心化系统互动。以公用事业公司、有线电视公司、网约车服务和互联网服务提供商为例，这些现有网络通常受到监管政策的保护，并拥有强大的网络效应。新进入者往往难以竞争。正如去中心化网络是互联网垄断的天然解药，DePIN 网络则是物理基础设施垄断的天然解药。

然而，DePIN 开发者需要首先找到能够增加价值的切入点，并以此为目标逐步扩展，最终挑战现有的物理网络整体。找到正确的切入点对于未来的成功至关重要。DePIN 开发者还需要理解其网络将如何与现有替代方案进行交互。大多数传统公司对运行区块链全节点感到抗拒，并且通常难以处理自托管或链上交易。他们往往不了解加密技术的意义或价值。

一种方法是展示 DePIN 协议能够带来的价值——而无需提及它运行在加密技术之上。当现有参与者认真考虑整合或能够理解新协议带来的价值时，他们会更愿意接受加密技术。更广泛地说：开发者应根据不同受众调整协议的价值表达，并设计能够与受众产生情感共鸣的叙述。

从战术上看，与现有网络的接口通常需要某种程度的早期中介以及深思熟虑的实体结构设计，这高度依赖于协议所针对的具体物理领域。

企业销售对于 DePIN 协议来说也是一个挑战。企业销售往往是“白手套”式的、耗时的，并需要定制化服务。客户通常希望有一个“可以追责”的直接负责人。然而，在 DePIN 网络中，没有任何个人或公司可以代表整个网络，也无法运行传统的企业销售流程。

一种解决方案是让 DePIN 协议拥有中心化公司作为初期的分销合作伙伴，由这些公司转售服务。例如，一个中心化的电信公司可以直接向普通消费者销售服务并收取美元费用，但实际服务则由底层的去中心化电信网络提供。这样，复杂的加密钱包和自托管问题被抽象化，“加密”特性被隐藏起来。这种由中心化公司分销 DePIN 网络服务的模式可以称为“DePIN mullet”，类似于“DeFi mullet”模式在金融服务中的流行应用。

3.DePIN 的难点：验证

构建 DePIN 协议最困难的部分是验证。验证至关重要：这是确保客户获得其支付服务的唯一明确方式，同时也能确保服务提供者因其工作获得正确报酬。

3.1 点对池（Peer-to-Pool）与点对点（Peer-to-Peer）

大多数 DePIN 项目采用了**点对池（peer-to-pool）**模式。在这种模式下，客户向网络发出请求，网络选择一个提供者来响应客户的需求。更重要的是，这意味着客户向网络支付费用，而网络再将费用支付给服务提供者。

另一种选择是点对点（peer-to-peer）模式，在这种模式下，客户直接向提供者请求服务。这要求客户能够找到一组服务提供者，并从中选择一个合作对象。同时，客户直接向提供者支付费用。

在点对池模式下，验证比点对点模式更加重要。在点对点模式中，虽然提供者或客户可能撒谎，但由于客户是直接向提供者支付费用，双方可以在无需向网络证明对方撒谎的情况下自行发现问题，并选择停止交易。而在点对池模式中，网络需要一种机制来裁定客户与提供者之间的争议。通常，提供者在加入网络时会同意为网络分配的任何客户提供服务，因此预防或解决客户与提供者争议的唯一方法是采用某种去中心化的验证方法。

DePIN 项目选择点对池设计有两个原因。首先，点对池模式通过使用原生代币更容易提供补贴。其次，它能够优化用户体验（UX），并减少使用网络所需的链下基础设施。一个类似的例子可以在 DePIN 之外找到，即点对池去中心化交易所（DEX，如 Uniswap）和点对点 DEX（如 0x）之间的区别。

代币之所以重要，是因为它们有助于解决建立网络时的冷启动问题。无论是 Web2 还是 Web3，项目通常通过某种形式的补贴为用户提供强大的价值，从而建立网络效应。这些补贴有时是直接的经济激励（如更低的成本），有时是无法规模化的增值服务。代币通常提供一种经济补贴，同时还能帮助建立社区，并赋予客户对网络发展方向的发言权。

点对池（peer-to-pool）模式允许用户支付金额为 X，而服务提供者收到的报酬为 Y，其中 X < Y。这通常得益于 DePIN 项目创建的原生代币（native token），并通过该代币奖励服务提供者。由于投机者购买代币并赋予其高于初始价值的市场价格（而在网络尚未被使用时，代币的初始价值往往非常低甚至为零），因此代币奖励 Y 可以高于客户支付的金额 X。

最终目标是：随着服务提供者提高服务效率，DePIN 项目通过构建网络效应实现 X > Y，从而将 X 与 Y 之间的差额作为协议收入（protocol revenue）。

相比之下，点对点（peer-to-peer）模式使代币奖励作为补贴的实现变得更加困难。如果客户支付 X，而服务提供者收到 Y，其中 X < Y，并且客户与提供者可以直接互动，那么提供者可能会通过“自我交易”（self-dealing）的方式伪装成客户向自己购买服务。这种行为在去中心化的 DePIN 协议中难以避免，除非引入某种程度的中心化或采用点对池模式。

3.2 自我交易（Self-Dealing）

自我交易是指用户同时扮演客户和服务提供者的角色，试图通过与自己交易从网络中提取价值。这种行为显然对网络有害，因此大多数 DePIN 项目都试图解决这一问题。

最简单的解决方案是不提供补贴或代币激励，但这会使解决网络冷启动问题变得更加困难。

当自我交易者为自己提供服务的成本为零时（通常确实如此），自我交易的危害尤为严重。解决自我交易的常见方法之一是要求服务提供者质押代币（通常是原生代币），并根据质押权重分配客户请求给服务提供者。

尽管质押机制可以缓解自我交易问题，但它并不能完全解决这一问题。原因在于，大型服务提供者（那些质押大量代币的提供者）仍然可能从部分分配给自己的客户请求中获利。例如，如果服务提供者的奖励是客户支付成本的五倍，那么一个质押了 25% 代币的服务提供者将每花费四个代币获得五个代币的奖励。

这种情况假设自我交易者为自己提供服务的成本为零，同时从分配给其他提供者的请求中没有获得任何收益。如果自我交易者能够从分配给其他提供者的请求中获得一定的收益或价值，那么在特定的客户成本与提供者奖励比例下，自我交易者可能会提取更多的价值。

3.3 验证方法

在了解了验证为何是一个至关重要的问题之后，我们来讨论 DePIN 项目可以考虑的不同验证机制。

共识机制（Consensus）

大多数区块链采用共识机制（通常结合抗女巫攻击机制，如工作量证明PoW 或权益证明 PoS）。将“共识”重新表述为“重新执行”（re-execution）可能更有助于理解，因为它突出了区块链网络中形成共识的每个节点通常都必须重新执行网络处理的每个计算。（对于模块化区块链或将共识、执行和数据可用性分离的区块链架构，这一规则并不完全适用。）

重新执行通常是必要的，因为网络中每个节点通常被假定为可能表现出拜占庭行为（Byzantine behavior）。换句话说，节点需要相互检查工作，因为它们无法彼此信任。当有新的状态变更提案时，每个验证区块链的节点都必须执行这一状态变更。这可能会导致大量的重新执行！例如，截至本文撰写时，以太坊网络中有超过 6000 个节点。

重新执行通常是透明的，除非区块链使用可信执行环境（Trusted Execution Environments，简称 TEE，有时也称为硬件或安全飞地）或完全同态加密（Fully Homomorphic Encryption）。关于这两种技术的更多信息，请参见下文。

正确执行证明（Proof of Correct Execution，例如有效性汇总、ZEXE 等）

与其要求区块链网络中的每个节点重新执行每一个状态变更，不如让单个节点执行给定的状态变更，并生成一个证明，表明该节点正确执行了状态变更。这种正确执行的证明比直接执行计算更快验证（这一特性使得证明具有简洁性）。最常见的此类证明形式是SNARK（简洁非交互式知识论证，Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge）或 STARK（简洁透明知识论证，Succinct Transparent Argument of Knowledge）。SNARK 和 STARK 通常被扩展为零知识证明（Zero-Knowledge Proof），即在不泄露被证明声明任何信息的情况下完成证明。因此，当用于压缩计算证明时，SNARK/STARK 和零知识证明（ZK Proofs）这两个术语常常被混淆使用。

目前最知名的基于正确执行证明的区块链类型可能是零知识汇总（Zero-Knowledge Rollup，简称 ZKR）。ZKR 是一种二层区块链（L2），它继承了某个底层区块链的安全性。ZKR 将交易批量处理，生成一个证明表明这些交易被正确执行，然后将该证明发布到一层区块链（L1）进行验证。

正确执行证明通常用于提升区块链的可扩展性和性能、隐私性，或兼具二者。zkSync、Aztec、Aleo 和 Ironfish 是这方面的典型例子。此外，正确执行证明也可以用于其他场景。例如，Filecoin 在其存储证明（Proof of Storage）中使用了 ZK-SNARKs。近年来，正确执行证明开始被应用于机器学习的推理（ML inference）、训练（ML training）、身份验证等领域。

随机抽样 / 统计测量

另一种解决 DePIN 项目中验证问题的方法是随机抽样服务提供者，并测量他们是否正确响应了客户请求。这种“挑战请求”（challenge request）通常按服务提供者在网络中的质押权重（stakeweight）比例分配，这不仅有助于验证，还能缓解自我交易问题。

由于许多 DePIN 项目为服务提供者的可用性提供了高额奖励（可用性奖励通常高于为客户请求服务的奖励），随机抽样可以确保服务提供者实际上是可用的。网络会偶尔向服务提供者发送挑战请求，如果提供者正确响应了请求，并且请求的哈希值超过了某个难度阈值，那么该提供者将获得相当于区块奖励的报酬。这种机制能够激励理性的服务提供者正确响应客户请求，因为他们无法区分哪些是普通客户请求，哪些是挑战请求。

随机抽样的某些版本在专注于网络功能的 DePIN 项目中得到了最广泛的应用，例如Nym、Orchid和Helium。

与共识机制相比，随机抽样可能具有更好的可扩展性，因为抽样的数量可以远远小于网络中的状态变更数量。

可信硬件（Trusted Hardware）

可信硬件不仅在隐私保护方面（如上文所述）有用，还可以用于验证传感器数据。对于 DePIN 项目来说，去中心化验证的一个重大挑战是需要解决预言机问题（oracle problem），即如何以无需信任或最小化信任的方式将物理世界的数据引入区块链。可信硬件允许网络基于物理传感器数据的结果来裁定客户与服务提供者之间的争议。

尽管可信硬件通常存在漏洞，但它可能是短期到中期内一种务实的解决方案，或者作为深度防御中的另一层保护。最常见的可信执行环境（Trusted Execution Environments, TEE）包括Intel SGX、Intel TDX 和ARM TrustZone。区块链项目如Oasis、Secret Network和Phala都使用了 TEEs，而SAUVE计划也将使用 TEEs。

白名单和审计

对于验证来说，最务实且技术复杂度最低的解决方案通常是将特定的物理设备列入白名单以参与 DePIN 协议，同时通过人工审计日志和遥测数据来确保服务提供者正确地为客户提供服务。

在实际操作中，这通常涉及构建嵌入签名密钥的定制硬件，并要求所有参与网络的硬件必须从经过验证的制造商处购买。制造商随后会将一组嵌入的密钥列入白名单。只有使用白名单中的密钥对签名的数据才会被网络接受。这种方法假设从设备中提取嵌入密钥的难度非常高，同时假设制造商能够准确报告哪些密钥被嵌入到哪些设备中。为了应对这些挑战，通常需要进行人工审计。

为了进一步确保服务的正确性，DePIN 协议通常会通过协议治理选举一名“审计员”（auditor），负责寻找恶意行为并将其发现报告给协议。审计员是人类，因此能够识别出标准化协议可能无法检测到的巧妙攻击，而一旦被识别，这些攻击对人类来说可能显得相当明显。通常情况下，审计员被授权向协议治理提交潜在的惩罚措施（如削减质押资金），或者直接触发削减事件。这种方法还假设协议治理会以协议的最佳利益为导向，同时也需要面对任何社会共识中涉及的人性化激励挑战。

最优方案？

面对多种潜在的验证选择，一个新的 DePIN 协议往往难以决定最佳方案。

共识机制和正确执行证明通常在验证方面不可行。DePIN 协议涉及的是物理服务，而共识或证明只能对计算（即数字而非物理）的状态变更提供强有力的保证。要在 DePIN 协议中使用共识或证明进行验证，必须同时引入预言机，而预言机本身带有一套（通常更弱的）信任假设。

随机抽样非常适合 DePIN 协议，因为它效率高且符合博弈论逻辑，能够很好地应用于物理服务中。可信硬件和白名单通常是启动的最佳选择，因为它们最简单易行，但它们也是最中心化的解决方案，且从长远来看成功的可能性较低。

为什么 DePIN 至关重要

加密货币的流行源于人们希望将货币控制权从国家手中解放出来，但实际上，更为重要的服务——例如基本的互联网连接、电力供应和水资源获取——却将权力集中在少数人手中。通过去中心化这些网络，我们不仅可以创造一个更加自由的社会，还能实现一个更高效、更繁荣的社会。

一个去中心化的未来意味着，许多人——而不仅仅是那少数特权者——都可以为提出更好的解决方案做出贡献。这一理念根植于这样一种信念：潜在的人力资本无处不在。如果你对去中心化的金融系统或去中心化的开发者平台感到兴奋，不妨进一步思考我们每天使用的其他基于网络的基本服务。

作者介绍

盖伊·沃莱特（Guy Wuollet）是 a16z 加密投资团队的合伙人，专注于投资加密领域的全栈各层。在加入 a16z 之前，盖伊与 Protocol Labs 合作进行独立研究，致力于构建去中心化网络协议以及升级互联网基础设施。他拥有斯坦福大学计算机科学学士学位，并曾是校划船队的主力队员。