当前的物理基础设施网络，如电信、能源、水资源和交通运输，往往是“自然垄断”行业——在这些领域，由一家企业提供服务的成本远低于引入竞争的成本。在大多数发达国家，这些网络通常受到复杂的政府监管和控制，导致创新动力不足，同时用户体验糟糕、服务质量低下、响应速度缓慢。这些系统效率低下、维护不善的现象更是屡见不鲜，比如导致PG&E破产的加州野火事件，或保护现有电信公司的法规。在发展中国家，情况更糟，很多基础服务要么完全缺失，要么成本高昂且供应短缺。
去中心化技术为我们提供了一个改变现状的机会。通过去中心化，我们可以超越僵化的传统垄断，打造更强大、更透明、更易于投资的网络。DePIN协议的核心理念是由用户共同拥有和运营，让每个人都有机会参与到日常基础设施的建设中。这种模式有潜力成为推动社会效率和开放性的强大动力。
本文将详细介绍DePIN的概念及其重要性，并分享评估DePIN协议的框架，以及在构建DePIN协议时需要重点考虑的问题，尤其是验证机制的设计。
什么是DePIN？
去中心化物理基础设施网络（DePIN）是一种通过加密技术和机制设计，确保用户能够从多个服务提供者那里获取物理服务的去中心化网络。这种模式打破了“自然垄断”，让竞争成为可能。服务的消费者通常是普通用户，但也可能是代表用户操作的应用程序。服务提供者可以是小型企业、零工人员，甚至是大型企业。这里的“去中心化”指的是权力和控制的分散，而不仅仅是物理设备或数据的分布。
如果设计得当，DePIN协议能够激励用户和小型企业参与基础设施网络的建设和管理，同时提供透明的激励机制。就像互联网因用户生成内容而繁荣一样，DePIN也为物理世界提供了一个由用户生成服务的机会。此外，正如区块链正在打破大科技公司“吸引用户后榨取价值”的模式，DePIN协议也能够帮助打破物理世界中公用事业的垄断。
DePIN的实际案例：能源电网
以能源为例，即使没有区块链的参与，美国的能源电网已经在逐步实现去中心化。由于电力传输瓶颈和接入新发电能力的延迟，人们开始倾向于采用分布式发电方式。家庭和企业可以安装太阳能板在电网边缘发电，或者使用电池存储电力，不仅满足自己的需求，还能将多余电力卖回电网。
随着分布式发电和储能技术的普及，许多与电网相连的设备已经不再由公用事业公司控制。这些用户自有设备本可以通过在关键时刻储存和释放电力，为电网提供巨大帮助，但目前的公用事业公司缺乏有效的手段获取这些设备的状态信息，也无法购买对它们的控制权。Daylight协议对此提供了一个解决方案。它构建了一个去中心化网络，让用户可以出售其设备状态信息，能源公司则可以支付费用以短暂控制这些设备。简而言之，Daylight正在开发一个去中心化的“虚拟电厂”。
这一模式将带来一个更高效、更稳定的能源电网，用户拥有的发电设备能更好地融入系统，同时减少对集中式垄断的依赖。这正是DePIN的愿景所在。
DePIN 指南
DePIN 协议有望显著改善我们日常接触的重要物理基础设施，但要实现这一目标，需要解决三大核心难题：
- 判断去中心化是否真的适用；
- 如何将项目推向市场；
- 验证过程，这也是最复杂的挑战。
本文并未深入探讨具体领域的技术问题，因为这些问题因行业而异，而是聚焦于如何从整体层面设计去中心化网络，并为各类 DePIN 项目提供通用建议。
1. 为什么选择 DePIN？
构建 DePIN 协议的主要动机通常是降低硬件部署成本（资本支出）和整合分散资源。此外，DePIN 还能在物理基础设施之上构建中立的开发平台，为无许可创新提供可能，比如开放能源数据的 API 或公平的共享出行市场。通过去中心化，DePIN 不仅能够抗审查、规避平台风险，还能像以太坊和 Solana 一样，推动可组合性和无许可创新。传统上，部署物理基础设施网络需要高昂成本和集中管理，而 DePIN 则通过分散所有权来分摊成本和控制权。
1.1 降低硬件成本
许多 DePIN 协议通过鼓励用户购买硬件并参与网络运营，减少了原本需要集中公司承担的巨额硬件成本。资本支出问题是很多基础设施被视为自然垄断的关键原因，而 DePIN 的低成本模式则具备明显优势。
以电信行业为例，新网络标准的推广往往因硬件部署成本过高而受阻。例如，美国部署 5G 网络预计需要 2750 亿美元的私人投资。
相比之下，DePIN 网络 Helium 在没有单一公司大规模投入的情况下，成功部署全球最大的长距离、低功耗（LoRaWAN）网络之一。Helium 与硬件厂商合作生产路由器，让用户直接购买并成为网络的所有者和运营者，用户通过提供网络服务获得收益。目前，Helium 正在扩展其5G 网络覆盖。
如果像 Helium 这样部署物联网网络采用传统方式，需要投入巨额资金并承担市场风险。而作为 DePIN 协议，Helium 不仅验证了市场需求，还显著降低了成本。
1.2 整合分散资源
在某些情况下，物理资源的容量虽然潜在存在，但因分散且复杂，传统企业难以整合。例如硬盘上的零散空闲空间，单独来看不足以吸引 AWS 等存储公司关注，但通过 Filecoin 等 DePIN 协议，这些分散资源可以被整合为一个云存储服务。DePIN 通过区块链技术协调普通用户，让他们共同构建大规模网络。
1.3 推动无许可创新
DePIN 最重要的特性是支持无许可创新：任何人都可以基于协议自由开发，而不受传统系统的限制。相比降低成本或整合资源，这一特性往往被低估。
无许可创新让物理基础设施的发展速度可以媲美软件行业。过去，人们常夸赞“比特”的创新速度，却感叹“原子”发展缓慢。DePIN 为开发者和投资者提供了一条让“原子”像“比特”一样快速发展的路径。当全球任何人都可以通过互联网提出改进物理系统的新方法时，创新将变得更高效、更有创意，甚至超越现有的解决方案。
1.4 可组合性
无权限创新之所以能将实体迅速转变为数字信息，关键在于可组合性。可组合性使得开发者能够专注于打造最佳的特定解决方案，并且这些解决方案能够轻松整合。我们在去中心化金融（DeFi）中已经看到“货币乐高”的强大作用，而在去中心化物理基础设施网络（DePIN）中，基础设施乐高也能产生类似的影响。
2. 上市：机遇与挑战
构建DePIN协议比构建区块链更具挑战性，因为它需要同时解决去中心化协议和传统商业的难题。比特币和以太坊起初与传统金融和云计算无关，而大多数DePIN协议却与现实世界的问题密切相关。
许多DePIN领域从一开始就必须与现有的中心化系统打交道，比如公用事业、电视公司、共享出行和互联网服务提供商等。这些现有网络往往受到监管和强大网络效应的影响，新进入者面临激烈竞争。去中心化网络可以作为互联网垄断的天然解药，而DePIN网络则可以对抗物理基础设施的垄断。
然而，DePIN开发者需要首先明确他们能在哪些方面增加价值，目标是最终能够挑战现有的物理网络。找到合适的切入点对未来的成功至关重要。此外，DePIN开发者还需要理解他们的网络如何与现有方案进行对接。大多数传统公司对运行区块链全节点感到犹豫，通常在自我保管或发起链上交易方面面临困难。他们往往不理解加密货币的概念及其重要性。
一种方法是展示你的DePIN协议所能带来的价值，而不提及其基于加密技术。一旦现有参与者认真考虑整合或者理解新协议的价值，他们就可能更容易接受加密的概念。更广泛地说，建设者应根据不同受众调整他们协议的价值表达，编织能够引起共鸣的叙述。
在战术上，与现有网络的对接通常需要一定程度的早期中介和周到的组织结构，这高度依赖于协议所针对的特定物理领域。
企业销售对于DePIN协议也是一大挑战。企业销售往往是个高端、耗时且定制化的过程，客户希望有一个“责任人”，即一个直接负责的人。在DePIN网络中，没有任何个人或公司可以代表整个网络或执行传统的企业销售流程。解决方案之一是让DePIN协议与中心化公司合作，作为初始分销伙伴，转售服务。例如，一个中心化的移动通信公司可以直接向普通消费者销售，并收取美元，同时在后台利用去中心化的电信网络提供服务。这种方式简化了加密钱包和自我保管钱包的复杂性，并隐藏了产品的“加密”特性。中心化公司分发DePIN网络服务的想法可以称为“DeFi mullet”，就像“DeFi mullet”在金融服务中变得流行一样。
3.DePIN的难点：验证
构建DePIN协议最难的部分在于验证，而验证至关重要：这是确保客户获得所支付服务和提供者正确获得报酬的唯一明确方式。
3.1 对等池与对等对等
大多数DePIN项目采用对等池模型，客户向网络请求服务，网络再选择提供者响应客户。这意味着客户是在支付网络，而网络则支付提供者。
另一种选择是对等对等模型，客户直接向提供者请求服务。这要求客户能够找到一组提供者并选择合作对象，同时客户也直接支付提供者。
在对等池模型中，验证比对等对等模型更为重要。在后者中，提供者或客户可能会说谎，但由于客户直接支付提供者，任一方都可以在不需要向网络证明谎言的情况下识别对方的谎言，并选择停止交易。而在对等池模型中，网络需要一种方式来裁定客户与提供者之间的争议。提供者通常同意为网络分配的任何客户提供服务，因此防止或解决客户与提供者之间争议的唯一方法是某种去中心化的验证机制。
DePIN项目选择对等池设计主要有两个原因。首先，对等池使项目更容易通过本地代币提供补贴。其次，它改善了用户体验，减少了使用网络所需的链下基础设施。一个好的例子是对等池去中心化交易所（如Uniswap）与对等对等去中心化交易所（如0x）之间的区别。
代币的重要性在于，它们可以帮助解决网络建设初期的冷启动问题。为了建立网络效应（无论是在web2还是web3中），项目通常会以某种补贴形式为用户提供强大的价值。这种补贴有时是直接的经济激励，例如较低的成本，有时则是无法扩展的增值服务。代币通常提供经济补贴，同时帮助建立社区并让客户对网络的发展有发言权。
对等池模型允许用户支付X，而提供者收到Y的付款，其中X < Y。这通常是因为DePIN项目创建了本地代币并用其奖励提供者。由于投机者购买代币并将其价值抬高（在网络尚未使用之前，代币的初始价值通常非常低或为零），本地代币的奖励Y可能大于客户支付的X。最终目标是使提供者在提供服务时更加高效，从而使DePIN项目建立网络效应，使得X > Y，并能够将X与Y之间的差额作为协议收入。
对等对等模型使代币奖励作为补贴变得更加困难。如果客户支付X而提供者收到Y（X < Y），且客户与提供者可以直接互动，那么提供者可能会假装从自己那里购买服务——这就是“自我交易”的一种情况。由于DePIN协议是无权限的，目前没有好的方法在不增加中心化或对等池模型的情况下解决这一问题。
3.2 自我交易
自我交易是指用户同时作为客户和提供者，试图与自己进行交易，以便从网络中获取价值。这种行为显然是有害的，因此大多数DePIN项目都在努力解决这个问题。最简单的解决办法是停止提供补贴或代币激励，但这会使得应对冷启动问题变得更加复杂。
自我交易尤其危险的情况是，自我交易者为自己提供服务的成本几乎为零，这种情况通常是存在的。解决自我交易问题的常见方法之一是要求提供者质押代币，通常是平台的原生代币，并根据质押数量的权重来分配客户请求。
虽然质押可以减轻自我交易的问题，但并不能完全解决，因为大额质押的提供者仍然可以从分配给自己的客户请求中获利。例如，如果提供者的奖励是客户支付成本的五倍，那么质押了25%代币的提供者在每花费四个代币时将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，而他们从请求其他提供者中获得的收益也是零。如果自我交易者能从其他提供者的请求中获得一些利益或价值，那么在特定的客户成本与提供者奖励比率下，他们就可能提取更多的价值。
3.3 验证方法
已经了解了为什么验证的重要性，接下来让我们讨论 将讨论DePIN项目可以考虑的不同验证机制。
共识
大多数区块链依赖于共识机制（结合工作量证明（PoW）或权益证明（PoS）等Sybil抵抗机制）。将“共识”理解为“重新执行”更为恰当，因为这强调了在区块链网络中，所有节点通常都需要重新执行网络处理的每一个计算。（不过，对于模块化区块链或将共识、执行和数据可用性分开的区块链架构，这种情况不一定成立。）重新执行是必要的，因为网络中的每个节点通常被认为可能会表现出拜占庭容错行为。换句话说，节点之间必须相互核对工作，因为它们不能完全信任对方。当有新的状态变化被提出时，所有验证区块链的节点都必须执行这个状态变化。这可能需要进行大量的重新执行！例如，在撰写本文时，以太坊网络上就有超过6000个节点。
重新执行通常是透明的，除非区块链使用受信执行环境（有时称为硬件或安全区域）或全同态加密。有关更多信息，请参见下文。
正确执行的证明（如有效性汇总、ZEXE等）
与其让区块链网络中的每个节点重新执行每个状态变化，不如让一个单独的节点来执行某个状态变化，并生成证明，表明该节点正确地完成了这个状态变化。正确执行的证明验证速度比直接执行计算快（这个特性使得证明更加简洁）。这种证明的常见形式是SNARK（简洁非交互式知识论证）或STARK（简洁透明知识论证）。SNARK和STARK通常会扩展为零知识证明，即不透露任何关于被证明内容的信息。因此，您经常会看到SNARKs/STARKs与零知识证明混用，尤其是在用于压缩计算证明时。
最知名的使用正确执行证明的区块链类型可能是零知识汇总（ZKR）。ZKR是一个二层（L2）区块链，继承某些底层区块链的安全性。ZKR将交易进行批处理，生成一个证明，证明这些交易已正确执行，然后将这个证明发布到第一层（L1）进行验证。
正确执行的证明通常用于提高可扩展性和性能，或者保护隐私，甚至两者兼具。zkSync、Aztec、Aleo和Ironfish都是很好的例子。正确执行的证明也可以应用于其他领域，比如Filecoin在其存储证明中使用ZK-SNARK。此外，正确执行的证明也开始应用于机器学习推理、机器学习训练、身份验证等方面。
随机抽样/统计测量
解决DePIN项目验证问题的另一种方法是随机抽取服务提供者，并检查他们是否正确响应客户的请求。这些“挑战”请求通常是根据提供者在网络中的股份比例进行分配，这有助于解决验证和自我交易的问题。由于许多DePIN项目为提供者的可用性提供了丰厚的奖励（提供者因可用性获得的奖励往往高于为客户服务的奖励），随机抽样可以确保提供者实际上是可用的。偶尔会向某个提供者发送挑战请求，如果该提供者正确回答了请求，并且请求的哈希值超过某个难度阈值，那么该提供者就会获得相当于区块奖励的奖励。这激励理性的提供者在无法区分客户请求和挑战请求的情况下，正确响应客户请求。在以网络为重点的DePIN项目中，随机抽样的某种形式得到了广泛应用，如Nym、Orchid和Helium等。
与共识机制相比，随机抽样在可扩展性上通常更具优势，因为样本数量可以远小于网络中状态变化的数量。
可信硬件
可信硬件不仅可以用于保护隐私（如前所述），还可以用于验证传感器数据。DePIN项目在去中心化验证时面临的最大挑战之一是必须处理预言机问题，即如何以无信任或最低信任的方式将现实世界的数据引入区块链。可信硬件使得网络能够根据现实世界传感器数据的结果来裁决客户与提供者之间的争议。
然而，可信硬件通常存在安全漏洞，因此在短期到中期内作为务实的解决方案比较合适，或者作为另一个防御层。最常见的可信执行环境包括Intel SGX、Intel TDX和ARM TrustZone。像Oasis、Secret Network和Phala这样的区块链都在使用TEE，SAUVE也计划使用TEE。
白名单和审计
通常，验证的最实用和技术上最简单的解决方案是将特定的物理设备列入白名单，以参与DePIN协议，并通过人类审计员审核日志和遥测数据来确保提供者正确地为客户服务。
具体来说，这通常涉及构建带有嵌入式签名密钥的定制硬件，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。制造商会将嵌入的密钥列表列入白名单，只有使用这些白名单密钥签名的数据才能被网络接受。这也意味着从设备中提取嵌入的密钥非常困难，并且制造商需要准确报告哪些密钥嵌入在哪些设备中。人类审计通常是解决这些问题所需的重要环节。
最后，为了确保服务的正确提供，DePIN协议通常会通过协议治理选举出一个“审计员”，负责监测恶意行为并将发现反馈给协议。这个审计员是人类，能够识别那些标准化协议可能忽略的巧妙攻击，尽管一旦识别出来，对人类来说就显得相对明显。通常，审计员有权向协议治理提出潜在的惩罚措施（例如削减），或者直接触发削减事件。这也假设协议治理会以协议的最佳利益为重，并面临任何社会共识中人类激励的挑战。
最佳方案
由于可选择的验证方法种类繁多，确定新DePIN协议的最佳方案往往很困难。
共识和证明在验证方面通常是不切实际的。DePIN协议涉及物理服务，而共识或证明只能对计算（数字而非物理）状态变化提供强有力的保证。若想用共识或证明来验证DePIN协议，您还需要依赖一个预言机，而这个预言机通常会带来一套较弱的信任假设。
随机抽样非常适合DePIN协议，因为它高效且具有博弈论特性，能够在物理服务中表现良好。可信硬件和白名单通常是最简单的起步方法，但它们也是最集中化的，长期有效的可能性较低。
DePIN的重要性
加密货币的流行源于希望将货币控制权从国家手中移走，但更重要的服务——如基本的互联网连接、电力和水的获取——却将权力集中在少数人手中。通过去中心化这些网络，我们不仅能创造一个更自由的社会，还能建立一个更高效和繁荣的社会。
去中心化的未来意味着更多的人——而不仅仅是那少数几个人——能够提出更好的解决方案。这一理念基于潜在的人力资本无处不在。如果您对去中心化金融系统或开发平台感兴趣，不妨关注我们每天使用的其他基本网络服务。
Guy Wuollet 是a16z加密投资团队的合伙人，专注于各层次的加密投资。在加入a16z之前，他与Protocol Labs合作进行独立研究，主要致力于构建去中心化网络协议和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，并曾是大学划船队的成员。
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