作者：Guy Wuollet
編譯：深潮TechFlow
現有的物理基礎設施網絡，如電信、能源、水資源和交通，通常是天然壟斷市場——在這些市場中，由一家企業提供產品或服務的成本遠低於鼓勵競爭所需的成本。在大多數發達國家，這些網絡由複雜的政府監管和規則掌控。然而，這種模式幾乎沒有激勵創新，更不用說改善客戶體驗、優化用戶界面、提升服務質量或加快響應速度了。此外，這些網絡往往效率低下、維護不善。例如，加州野火導致PG&E破產，或者保護現有電信公司的監管政策，都證明了這一點。而在發展中國家，情況更加糟糕：許多此類服務要麼不存在，要麼價格高昂且資源稀缺。
我們可以做得更好。去中心化的物理基礎設施網絡為我們提供了一個超越現有壟斷體系的機會，能夠構建更強大、更易投資、更透明的網絡。DePIN（Decentralized Physical Infrastructure Network，去中心化物理基礎設施網絡）協議是一種由用戶擁有和運營的服務，任何人都可以為運行我們日常生活的核心基礎設施貢獻力量。這些協議有潛力成為推動社會更加高效和開放的重要民主化力量。
在本文中，我將解釋什麼是DePIN，以及它為何重要。同時，我將分享評估DePIN協議的框架，並探討在構建DePIN協議時需要提出的問題，特別是驗證問題。
什麼是DePIN？
去中心化物理基礎設施網絡（DePIN）是指任何足夠去中心化的網絡，它利用加密技術和機制設計，確保客戶端可以從一組服務提供商中請求物理服務，從而打破天然壟斷並帶來競爭的好處（我們將在下文詳細探討這一點）。客戶端通常是終端用戶，但也可能是代表終端用戶操作的應用程序。服務提供商通常是小型企業，但根據網絡的不同，也可能包括零工服務者甚至大型傳統公司。在這裡，“去中心化”指的是權力和控制的去中心化，而不僅僅是物理分佈或數據結構的去中心化。
如果設計得當，DePIN協議能夠鼓勵用戶和小型企業參與物理基礎設施網絡，並在時間推移中共同治理其發展，同時為貢獻提供透明的激勵機制。正如互聯網以用戶生成內容為主導，DePIN為物理世界提供了一個以用戶生成服務為主導的機會。更重要的是，正如區塊鏈正在打破壟斷科技公司“吸引-榨取”的循環，DePIN協議也可以幫助打破物理世界中的公用事業壟斷。
DePIN的實踐案例：能源電網
以能源為例，美國的能源電網即使在非加密環境下也正在走向去中心化。傳輸瓶頸以及將新發電容量接入電網的長期延遲，促使人們對去中心化發電容量產生需求。家庭和企業可以部署太陽能板在電網邊緣發電，或者安裝電池儲存電力。這意味著他們不僅從電網購買能源，還可以將能源賣回電網。
隨著邊緣發電和儲能的普及，許多連接到電網的設備已不再由公用事業公司擁有。這些用戶擁有的設備可以通過在關鍵時刻儲存和釋放能源來極大地惠及電網，那麼為什麼它們沒有被充分利用呢？現有的公用事業公司無法有效獲取這些設備的狀態信息，也無法購買對它們的控制權。Daylight協議正在為能源行業的碎片化問題提供解決方案。Daylight正在構建一個去中心化的網絡，使用戶能夠出售其電網連接設備的狀態信息，並允許能源公司付費臨時控制這些設備。簡而言之，Daylight正在打造一個去中心化的虛擬電廠。
這一結果可能帶來一個更強大、更高效的能源電網，用戶擁有的發電能力、更好的數據，以及比集中式壟斷更少的信任假設。這正是DePIN的承諾所在。
DePIN的構建指南
DePIN協議在改善我們日常接觸的核心物理基礎設施方面具有巨大潛力，但要實現這一目標，需要克服至少三大挑戰：
判斷在特定情況下是否需要去中心化；
市場推廣；
驗證問題，這是其中最具挑戰性的一環。
我刻意忽略了任何特定物理基礎設施領域的具體技術挑戰。這並不是因為這些挑戰不重要，而是因為它們具有領域特定性。在本文中，我專注於從抽象層面構建去中心化網絡，併為跨越不同物理行業的所有DePIN項目提供建議。
1.為什麼選擇DePIN？
構建DePIN協議的兩個常見原因是：降低硬件部署的資本支出（Capex），以及聚合分散的資源容量。此外，DePIN協議還可以在物理基礎設施之上創建中立的開發者平臺，這些平臺能夠解鎖無許可的創新，例如開放的能源數據API或中立的網約車市場。通過去中心化，DePIN協議實現了抗審查性、消除了平臺風險，並促進了無許可的創新——這種可組合性和無許可創新正是以太坊（Ethereum）和Solana蓬勃發展的關鍵原因。傳統上，部署物理基礎設施網絡成本高昂，通常需要一箇中心化的公司來完成，而DePIN通過去中心化的所有權分散了成本和控制權。
1.1 資本支出（Capex）
許多DePIN協議通過鼓勵用戶購買硬件並參與網絡運營，降低了通常需要中心化公司承擔的大量甚至不可行的資本支出。高資本支出是許多基礎設施項目被視為天然壟斷的原因之一，而降低資本支出為DePIN協議提供了結構性優勢。
以電信行業為例。新網絡標準的採用常常因為部署新硬件所需的高額資本支出而舉步維艱。例如，一項分析預測，僅在美國部署5G蜂窩網絡就需要高達2750億美元的私人投資。
相比之下，DePIN網絡Helium在沒有單一實體進行大規模前期硬件投資的情況下，成功部署了全球範圍內最大的長距離、低功耗網絡（LoRaWAN）。LoRaWAN是一種非常適合物聯網（IoT）用例的標準。Helium與硬件製造商合作開發了LoRaWAN路由器，使用戶可以直接從製造商處購買這些路由器。隨後，這些用戶成為了網絡的所有者和運營者，為需要LoRaWAN連接的客戶提供服務，並從中獲得報酬。目前，Helium正專注於擴展其5G蜂窩網絡覆蓋。
如果像Helium那樣部署一個物聯網網絡，需要承擔巨大的前期資本支出風險，並賭注是否有足夠大的客戶群願意購買該新網絡的連接服務。然而，作為一個DePIN協議，Helium通過去中心化的方式驗證了其市場供給端，並大幅降低了成本結構。
1.2 資源容量
在某些情況下，物理資源中存在大量潛在的閒置容量，但由於複雜性，現有企業難以將其有效整合。例如，硬盤上的空閒空間。在任何單個硬盤上，這些空間可能都太小，不足以引起像AWS這樣的存儲公司的注意。然而，當通過像Filecoin這樣的DePIN協議聚合起來時，這些分散的空間就能轉變為一個雲存儲服務提供商。DePIN協議能夠利用區塊鏈技術協調普通用戶的資源，從而讓他們為大規模網絡做出貢獻。
1.3 無許可創新
DePIN協議解鎖的最關鍵功能是無許可創新：任何人都可以基於該協議進行構建。這與傳統的本地電力公司電網等壟斷基礎設施形成了鮮明對比。與降低資本支出或整合資源容量相比，無許可創新的潛力往往被低估。
無許可創新使物理基礎設施能夠以軟件的速度發展。我們常聽到這樣的說法：數字領域（“bits”）的創新速度令人讚歎，而物理領域（“atoms”）的創新速度卻令人失望。DePIN為開發者和投資者提供了一個將“原子”變得更像“比特”的重要路徑。當世界上任何擁有互聯網連接的人都可以提出新的方法來組織和協調運行我們世界的物理系統時，聰明而富有創造力的人們就能發明出比現有更優的解決方案。
1.4 可組合性
無許可創新能夠加速“原子”向“比特”轉變的原因在於可組合性。可組合性允許開發者專注於打造最優的單點解決方案，並使該解決方案能夠輕鬆集成。我們已經在去中心化金融（DeFi）的“資金樂高”（money legos）中見證了這種力量。而在DePIN中，“基礎設施樂高”（infrastructure legos）也可以產生類似的影響。
2. 推向市場：機遇與挑戰
構建DePIN協議比構建區塊鏈更困難，因為它需要同時解決去中心化協議和傳統業務的雙重挑戰。比特幣和以太坊的起步相對獨立於傳統金融和雲計算領域，而大多數DePIN協議並沒有這樣的奢侈條件，它們與物理世界中的現有問題密切相關。
大多數DePIN領域從第一天起就必須與現有的中心化系統互動。以公用事業公司、有線電視公司、網約車服務和互聯網服務提供商為例，這些現有網絡通常受到監管政策的保護，並擁有強大的網絡效應。新進入者往往難以競爭。正如去中心化網絡是互聯網壟斷的天然解藥，DePIN網絡則是物理基礎設施壟斷的天然解藥。
然而，DePIN開發者需要首先找到能夠增加價值的切入點，並以此為目標逐步擴展，最終挑戰現有的物理網絡整體。找到正確的切入點對於未來的成功至關重要。DePIN開發者還需要理解其網絡將如何與現有替代方案進行交互。大多數傳統公司對運行區塊鏈全節點感到抗拒，並且通常難以處理自託管或鏈上交易。他們往往不瞭解加密技術的意義或價值。
一種方法是展示DePIN協議能夠帶來的價值——而無需提及它運行在加密技術之上。當現有參與者認真考慮整合或能夠理解新協議帶來的價值時，他們會更願意接受加密技術。更廣泛地說：開發者應根據不同受眾調整協議的價值表達，並設計能夠與受眾產生情感共鳴的敘述。
從戰術上看，與現有網絡的接口通常需要某種程度的早期中介以及深思熟慮的實體結構設計，這高度依賴於協議所針對的具體物理領域。
企業銷售對於DePIN協議來說也是一個挑戰。企業銷售往往是“白手套”式的、耗時的，並需要定製化服務。客戶通常希望有一個“可以追責”的直接負責人。然而，在DePIN網絡中，沒有任何個人或公司可以代表整個網絡，也無法運行傳統的企業銷售流程。
一種解決方案是讓DePIN協議擁有中心化公司作為初期的分銷合作伙伴，由這些公司轉售服務。例如，一箇中心化的電信公司可以直接向普通消費者銷售服務並收取美元費用，但實際服務則由底層的去中心化電信網絡提供。這樣，複雜的加密錢包和自託管問題被抽象化，“加密”特性被隱藏起來。這種由中心化公司分銷DePIN網絡服務的模式可以稱為“DePIN mullet”，類似於“DeFi mullet”模式在金融服務中的流行應用。
3.DePIN的難點：驗證
構建DePIN協議最困難的部分是驗證。驗證至關重要：這是確保客戶獲得其支付服務的唯一明確方式，同時也能確保服務提供者因其工作獲得正確報酬。
3.1 點對池（Peer-to-Pool）與點對點（Peer-to-Peer）
大多數DePIN項目採用了**點對池（peer-to-pool）**模式。在這種模式下，客戶向網絡發出請求，網絡選擇一個提供者來響應客戶的需求。更重要的是，這意味著客戶向網絡支付費用，而網絡再將費用支付給服務提供者。
另一種選擇是點對點（peer-to-peer）模式，在這種模式下，客戶直接向提供者請求服務。這要求客戶能夠找到一組服務提供者，並從中選擇一個合作對象。同時，客戶直接向提供者支付費用。
在點對池模式下，驗證比點對點模式更加重要。在點對點模式中，雖然提供者或客戶可能撒謊，但由於客戶是直接向提供者支付費用，雙方可以在無需向網絡證明對方撒謊的情況下自行發現問題，並選擇停止交易。而在點對池模式中，網絡需要一種機制來裁定客戶與提供者之間的爭議。通常，提供者在加入網絡時會同意為網絡分配的任何客戶提供服務，因此預防或解決客戶與提供者爭議的唯一方法是採用某種去中心化的驗證方法。
DePIN項目選擇點對池設計有兩個原因。首先，點對池模式通過使用原生代幣更容易提供補貼。其次，它能夠優化用戶體驗（UX），並減少使用網絡所需的鏈下基礎設施。一個類似的例子可以在DePIN之外找到，即點對池去中心化交易所（DEX，如Uniswap）和點對點DEX（如0x）之間的區別。
代幣之所以重要，是因為它們有助於解決建立網絡時的冷啟動問題。無論是Web2還是Web3，項目通常通過某種形式的補貼為用戶提供強大的價值，從而建立網絡效應。這些補貼有時是直接的經濟激勵（如更低的成本），有時是無法規模化的增值服務。代幣通常提供一種經濟補貼，同時還能幫助建立社區，並賦予客戶對網絡發展方向的發言權。
點對池（peer-to-pool）模式允許用戶支付金額為X，而服務提供者收到的報酬為Y，其中X < Y。這通常得益於DePIN項目創建的原生代幣（native token），並通過該代幣獎勵服務提供者。由於投機者購買代幣並賦予其高於初始價值的市場價格（而在網絡尚未被使用時，代幣的初始價值往往非常低甚至為零），因此代幣獎勵Y可以高於客戶支付的金額X。
最終目標是：隨著服務提供者提高服務效率，DePIN項目通過構建網絡效應實現X > Y，從而將X與Y之間的差額作為協議收入（protocol revenue）。
相比之下，點對點（peer-to-peer）模式使代幣獎勵作為補貼的實現變得更加困難。如果客戶支付X，而服務提供者收到Y，其中X < Y，並且客戶與提供者可以直接互動，那麼提供者可能會通過“自我交易”（self-dealing）的方式偽裝成客戶向自己購買服務。這種行為在去中心化的DePIN協議中難以避免，除非引入某種程度的中心化或採用點對池模式。
3.2 自我交易（Self-Dealing）
自我交易是指用戶同時扮演客戶和服務提供者的角色，試圖通過與自己交易從網絡中提取價值。這種行為顯然對網絡有害，因此大多數DePIN項目都試圖解決這一問題。
最簡單的解決方案是不提供補貼或代幣激勵，但這會使解決網絡冷啟動問題變得更加困難。
當自我交易者為自己提供服務的成本為零時（通常確實如此），自我交易的危害尤為嚴重。解決自我交易的常見方法之一是要求服務提供者質押代幣（通常是原生代幣），並根據質押權重分配客戶請求給服務提供者。
儘管質押機制可以緩解自我交易問題，但它並不能完全解決這一問題。原因在於，大型服務提供者（那些質押大量代幣的提供者）仍然可能從部分分配給自己的客戶請求中獲利。例如，如果服務提供者的獎勵是客戶支付成本的五倍，那麼一個質押了25%代幣的服務提供者將每花費四個代幣獲得五個代幣的獎勵。
這種情況假設自我交易者為自己提供服務的成本為零，同時從分配給其他提供者的請求中沒有獲得任何收益。如果自我交易者能夠從分配給其他提供者的請求中獲得一定的收益或價值，那麼在特定的客戶成本與提供者獎勵比例下，自我交易者可能會提取更多的價值。
3.3 驗證方法
在瞭解了驗證為何是一個至關重要的問題之後，我們來討論DePIN項目可以考慮的不同驗證機制。
共識機制（Consensus）
大多數區塊鏈採用共識機制（通常結合抗女巫攻擊機制，如工作量證明PoW或權益證明PoS）。將“共識”重新表述為“重新執行”（re-execution）可能更有助於理解，因為它突出了區塊鏈網絡中形成共識的每個節點通常都必須重新執行網絡處理的每個計算。（對於模塊化區塊鏈或將共識、執行和數據可用性分離的區塊鏈架構，這一規則並不完全適用。）
重新執行通常是必要的，因為網絡中每個節點通常被假定為可能表現出拜占庭行為（Byzantine behavior）。換句話說，節點需要相互檢查工作，因為它們無法彼此信任。當有新的狀態變更提案時，每個驗證區塊鏈的節點都必須執行這一狀態變更。這可能會導致大量的重新執行！例如，截至本文撰寫時，以太坊網絡中有超過6000個節點。
重新執行通常是透明的，除非區塊鏈使用可信執行環境（Trusted Execution Environments，簡稱TEE，有時也稱為硬件或安全飛地）或完全同態加密（Fully Homomorphic Encryption）。關於這兩種技術的更多信息，請參見下文。
正確執行證明（Proof of Correct Execution，例如有效性彙總、ZEXE等）
與其要求區塊鏈網絡中的每個節點重新執行每一個狀態變更，不如讓單個節點執行給定的狀態變更，並生成一個證明，表明該節點正確執行了狀態變更。這種正確執行的證明比直接執行計算更快驗證（這一特性使得證明具有簡潔性）。最常見的此類證明形式是SNARK（簡潔非交互式知識論證，Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge）或STARK（簡潔透明知識論證，Succinct Transparent Argument of Knowledge）。SNARK和STARK通常被擴展為零知識證明（Zero-Knowledge Proof），即在不洩露被證明聲明任何信息的情況下完成證明。因此，當用於壓縮計算證明時，SNARK/STARK和零知識證明（ZK Proofs）這兩個術語常常被混淆使用。
目前最知名的基於正確執行證明的區塊鏈類型可能是零知識彙總（Zero-Knowledge Rollup，簡稱ZKR）。ZKR是一種二層區塊鏈（L2），它繼承了某個底層區塊鏈的安全性。ZKR將交易批量處理，生成一個證明表明這些交易被正確執行，然後將該證明發布到一層區塊鏈（L1）進行驗證。
正確執行證明通常用於提升區塊鏈的可擴展性和性能、隱私性，或兼具二者。zkSync、Aztec、Aleo和Ironfish是這方面的典型例子。此外，正確執行證明也可以用於其他場景。例如，Filecoin在其存儲證明（Proof of Storage）中使用了ZK-SNARKs。近年來，正確執行證明開始被應用於機器學習的推理（ML inference）、訓練（ML training）、身份驗證等領域。
隨機抽樣 / 統計測量
另一種解決DePIN項目中驗證問題的方法是隨機抽樣服務提供者，並測量他們是否正確響應了客戶請求。這種“挑戰請求”（challenge request）通常按服務提供者在網絡中的質押權重（stakeweight）比例分配，這不僅有助於驗證，還能緩解自我交易問題。
由於許多DePIN項目為服務提供者的可用性提供了高額獎勵（可用性獎勵通常高於為客戶請求服務的獎勵），隨機抽樣可以確保服務提供者實際上是可用的。網絡會偶爾向服務提供者發送挑戰請求，如果提供者正確響應了請求，並且請求的哈希值超過了某個難度閾值，那麼該提供者將獲得相當於區塊獎勵的報酬。這種機制能夠激勵理性的服務提供者正確響應客戶請求，因為他們無法區分哪些是普通客戶請求，哪些是挑戰請求。
隨機抽樣的某些版本在專注於網絡功能的DePIN項目中得到了最廣泛的應用，例如Nym、Orchid和Helium。
與共識機制相比，隨機抽樣可能具有更好的可擴展性，因為抽樣的數量可以遠遠小於網絡中的狀態變更數量。
可信硬件（Trusted Hardware）
可信硬件不僅在隱私保護方面（如上文所述）有用，還可以用於驗證傳感器數據。對於DePIN項目來說，去中心化驗證的一個重大挑戰是需要解決預言機問題（oracle problem），即如何以無需信任或最小化信任的方式將物理世界的數據引入區塊鏈。可信硬件允許網絡基於物理傳感器數據的結果來裁定客戶與服務提供者之間的爭議。
儘管可信硬件通常存在漏洞，但它可能是短期到中期內一種務實的解決方案，或者作為深度防禦中的另一層保護。最常見的可信執行環境（Trusted Execution Environments, TEE）包括Intel SGX、Intel TDX和ARM TrustZone。區塊鏈項目如Oasis、Secret Network和Phala都使用了TEEs，而SAUVE計劃也將使用TEEs。
白名單和審計
對於驗證來說，最務實且技術複雜度最低的解決方案通常是將特定的物理設備列入白名單以參與DePIN協議，同時通過人工審計日誌和遙測數據來確保服務提供者正確地為客戶提供服務。
在實際操作中，這通常涉及構建嵌入簽名密鑰的定製硬件，並要求所有參與網絡的硬件必須從經過驗證的製造商處購買。製造商隨後會將一組嵌入的密鑰列入白名單。只有使用白名單中的密鑰對簽名的數據才會被網絡接受。這種方法假設從設備中提取嵌入密鑰的難度非常高，同時假設製造商能夠準確報告哪些密鑰被嵌入到哪些設備中。為了應對這些挑戰，通常需要進行人工審計。
為了進一步確保服務的正確性，DePIN協議通常會通過協議治理選舉一名“審計員”（auditor），負責尋找惡意行為並將其發現報告給協議。審計員是人類，因此能夠識別出標準化協議可能無法檢測到的巧妙攻擊，而一旦被識別，這些攻擊對人類來說可能顯得相當明顯。通常情況下，審計員被授權向協議治理提交潛在的懲罰措施（如削減質押資金），或者直接觸發削減事件。這種方法還假設協議治理會以協議的最佳利益為導向，同時也需要面對任何社會共識中涉及的人性化激勵挑戰。
最優方案？
面對多種潛在的驗證選擇，一個新的DePIN協議往往難以決定最佳方案。
共識機制和正確執行證明通常在驗證方面不可行。DePIN協議涉及的是物理服務，而共識或證明只能對計算（即數字而非物理）的狀態變更提供強有力的保證。要在DePIN協議中使用共識或證明進行驗證，必須同時引入預言機，而預言機本身帶有一套（通常更弱的）信任假設。
隨機抽樣非常適合DePIN協議，因為它效率高且符合博弈論邏輯，能夠很好地應用於物理服務中。可信硬件和白名單通常是啟動的最佳選擇，因為它們最簡單易行，但它們也是最中心化的解決方案，且從長遠來看成功的可能性較低。
為什麼DePIN至關重要
加密貨幣的流行源於人們希望將貨幣控制權從國家手中解放出來，但實際上，更為重要的服務——例如基本的互聯網連接、電力供應和水資源獲取——卻將權力集中在少數人手中。通過去中心化這些網絡，我們不僅可以創造一個更加自由的社會，還能實現一個更高效、更繁榮的社會。
一個去中心化的未來意味著，許多人——而不僅僅是那少數特權者——都可以為提出更好的解決方案做出貢獻。這一理念根植於這樣一種信念：潛在的人力資本無處不在。如果你對去中心化的金融系統或去中心化的開發者平臺感到興奮，不妨進一步思考我們每天使用的其他基於網絡的基本服務。
作者介紹
蓋伊·沃萊特（Guy Wuollet）是a16z加密投資團隊的合夥人，專注於投資加密領域的全棧各層。在加入a16z之前，蓋伊與Protocol Labs合作進行獨立研究，致力於構建去中心化網絡協議以及升級互聯網基礎設施。他擁有斯坦福大學計算機科學學士學位，並曾是校划船隊的主力隊員。
