讀懂 DePIN：分布式物理基礎設施網絡

2023-07-19 08:07:37

作者：王普玉、鄒傳偉@ HashKey Tokenisation

假如我們以非常低的成本購买到一臺標准化的小型設備（如無线路由器），它能與周邊同類設備，甚至與其他不同國家、區域居民所購买的設備可以自行通信、組網，並形成一個個龐大的物理基礎設施網絡（如存儲網絡、通信網絡、數據網絡等），這將給行業會帶來什么樣的變化？因為擁有了一臺標准化小型設備，大家成為網絡的共同建設者，同時也擁有了該網絡的收益權和治理權。而對用戶而言，能夠以極低成本，隨時隨地且無需許可的使用這些網絡或數據服務。用戶高頻次的網絡或數據服務使用，又可以給網絡建設者們帶來源源不斷的被動收益。沒有中心化機構組織協調、沒有復雜的審批流程，一個龐大的基礎設施網絡卻被建造起來。看似難以實現，卻正在我們身邊快速的發生着，這種經濟活動有一個新名詞，叫做分布式物理基礎設施網絡（Decentralized Physical Infrastructure Network，簡稱 DePIN）。

一、什么是 DePIN?

DePIN 是在物理工作量證明 PoPW、MachineFi 等基礎上衍生出的 Web3 新名詞，DePIN（分布式物理基礎設施網絡）指使用代幣經濟學激勵及協調社區成員完成各類物理基礎設施網絡的建設，遵循「貢獻越多、收益越多」的原則。Messari 將 DePIN 賽道分為四大板塊，分別是：服務網絡、無线網絡、傳感器網絡和能源網絡。

圖 1： DePIN 生態分布圖資料來源：https://messari.io/report/the-depin-sector-map

二、為什么要 DePIN?

在數字基礎設施建設方面，DePIN 充分發揮了加密經濟在分布式組織中的優勢，以從下到上、低成本、高效率組織方式實現網絡快速擴張，改變以往從上到下的高支出和低效問題。

1. 傳統中心化物理基礎設施網絡 CePIN

基礎設網絡建設是一項成本高、耗時長的工作。以中國國內 5G 基站建設為例，從 2017 年到 2021 年底，累計建成並开通 5G 基站 142.5 萬個，耗資 1849 億元。

2. DePIN ( 去中心化物理基礎設施網絡）

Helium 採用了一種分布式方式，僅 31 個月布局了 83.3 萬個小型基站 ( 熱點 )，覆蓋 175 個國家，並長期維持在每月 3 萬臺的增長速度。且相較於 CePIN，DePIN 前期建設成本可以忽略不記。

圖 2：Helium 小型基站（熱點）分布圖資料來源：https://explorer.helium.com/old-explorer

在不對 Helium 商業模式是否成功進行評判的前提下，Helium 過去 3 年長期維持每月 3 萬個熱點的增長速度，以幾乎忽略不計的運營成本，證明了 DePIN 範式的可行性。

三、如何布局 DePIN？

我們從 DePIN 生態系統的組成要素及經濟模型兩方面來嘗試探究如何布局 DePIN。

（一）DePIN 經濟的構成要素

DePIN 生態系統的構成要素包括 6 個：物理硬件 DU、激勵機制、共識協議、貢獻者、Token 和 DAO 社區。

1. 物理硬件 DU

DePIN Unit（簡稱 DU），通常是一個物聯網設備，在 DePIN 網絡中連接物理世界與數字世界的基本構成單元。以市場上發展較為快速的項目為例，分布式街景地圖 Hivemapper 的 DU 是標准化行車記錄儀、低功耗廣域網 Helium 的 DU 是網絡礦機（熱點）、可再生能源網絡 Arkreen 的 DU 是太陽能光伏板等。為保證在分布式組織下，讓不同地域、不同背景、不同認知的貢獻者們都能夠無摩擦的參與到 DePIN 的建設中，DU 需要盡可能滿足以下條件：

DU 是標准化的且可以即插即用
貢獻者無需對 DU 進行頻繁維護
DU 成本與網絡規模成反比，因此要盡可能降低 DU 成本，目前市場上不同項目的 DU 單價控制在 200-500 美金之間。

2.激勵機制

激勵機制是 DePIN 項目能否有序發展的關鍵所在，項目社區需要巧妙地應用激勵機制對齊貢獻者們的行為目標，以實現基礎設施網絡的規模化發展。此外，項目社區首先需要根據基礎設施類型，制定適合其規模化發展的行為獎勵標准。如 Helium 為擴大網絡的覆蓋範圍，網絡覆蓋密度低的區域會比密度高的區域所獲得的獎勵高；為防止有人作惡，對於覆蓋密度過低的區域也是無法獲得獎勵的；綜上，為了更高的收益，理智的礦工通常會選擇將 Helium 礦機安置在密度適中的區域。同樣，Arkreen 是根據發電能力激勵貢獻者，對於理性貢獻者，會將礦機安裝在光照理想的位置。整體而言，激勵機制的設計大致需要遵循以下幾個原則：

項目有清晰的總目標和分目標。總目標只有一個，分目標可以是多個。但每增加一種分目標，都會成倍增加對項目的理解難度
不同貢獻者都要有確定的行為即挖礦獎勵標准（X to Earn），貢獻者類型不宜過多，每增加一種 X to Earn，會增加系統的復雜性
激勵也是 Token 分發的一種方式，發放數量需要根據市場流通總量設計規則，以免因 Token 超發而導致幣價下跌。

3. 共識機制

CePIN 是在中心化機構絕對控制權下統一部署發展的。但 DePIN 是分布式、去信任化且匿名的，沒有中心化機構的組織協調，所以需要通過一種或多種共識機制幫助所有參與者達成一致性，同時保證網絡安全及可持續發展。我們所講的網絡安全及可持續性包含兩層含義，第一層含義是不同設備所組建基礎設施網絡的安全及可持續性，即設備之間能夠組成一個基礎設施網絡並保證安全且正常地運轉，這屬於技術層面的問題，需要項目方在 DePIN 項目啓動前做好充分評估；第二層含義是區塊鏈上經濟活動層面的網絡發展安全與可持續性，包括驗證物理世界 DU 真實性和驗證鏈上 DU 數據的可靠性。如圖 3 所示，區塊鏈上的經濟活動數據只能保證其上鏈後的不可篡改性，但無法保證上鏈數據的真實性。舉例來說，如果數據在設備側遭到攻擊並被篡改，那么該數據上鏈後只能保證數據不會被二次篡改，但無法保證該數據是真實的。因此，我們需要在設備數據上鏈前，通過共識算法來驗證數據的真實性；僅被所有貢獻者認可的數據才能上鏈，以此保證生態的可持續發展。

圖 3：區塊鏈邊界與共識邊界資料來源：《區塊鏈能做什么，不能做什么》徐忠，鄒傳偉

該部分我們討論共識機制僅針對於第二層面，即在區塊鏈經濟活動層面的網絡安全和可持續性，分為兩方面：首先是鏈上記账的公平性和准確性，這是保證去中心化協作的基礎和生命线；其次是網絡上各種節點或數據的真實性，以免作惡者更改節點位置或發送虛假數據騙取生態獎勵。前者是項目方准備自建區塊鏈時需要考慮的問題，如 PoW 或 PoS 等共識機制；後者則是所有 DePIN 項目方需要從技術和算法考慮如何設計共識機制。例如 Arkreen 項目，項目採用了 Proof of Green-Energy Generation(PoGG) 共識機制，大致流程如下：首先，所有 DU 每 5 分鐘間隔採樣 PoGG 數據並在本地緩存，並於每 1 小時向 Arkreen Network 報告 12 條記錄。其次，在上一個獎勵周期結束後，Arkreen Network 使用 VRF（可驗證隨機函數）方法生成一個隨機值，再結合當前周期 DU 屬性，篩選出本周期有機會獲得獎勵的礦工。然後，Arkreen Network 驗證 PoGG 數據的可信度並將淘汰被判定僞造數據的 DU。最後，根據合格 DU 權重分配當前周期內的獎勵。Arkreen 通過上述 PoGG 方法保證網絡數據的真實性和可靠性。總體而言，DePIN 共識機制的設計需要遵循以下原則：

DePIN 共識機制設計遵循物理工作量證明 Proof of Physical Works 原則。
Proof 是共識的方式，Physical Works 是共識的對象，如 Helium 的 Physical Work 是 Coverage，Filecoin 的 Physical Work 是 Replication 和 Spacetime。
為實現系統自組織且維持系統可持續性，需反復論證 DePIN 項目需要哪些 Physical Works。
Proof 設計沒有最優解，需要從技術和算法兩個層面設計，且需要長期迭代驗證 Physical Works 的方法。
所有共識規則都是內嵌到 DU 芯片中，共識過程是自動化完成而無需 DU 所有者做任何操作，但共識過程的真實性和可靠性可以被任何人查驗。

4. 貢獻者

貢獻者通常分為以下 6 類：

DePIN 項目發起者：通常 DePIN 都有一個機構或若幹人作為項目發起人，他們負責早期 DU 技術开發、系統开發、鏈上合約部署、DePIN 社區發展等。在 Token 分配中，DePIN 項目發起者會自留一定比例 Token 作為回報。
DU 所有者：DU 是在社區指定的渠道購买的標准化小型設備，DU 所有者也被稱為是礦工。根據共同目標，DU 所有者將設備安裝在當下收益更高的位置即可參與網絡建設，該過程被稱之為 DePIN 挖礦。
DU 真實性驗證者：在去信任環境下保證不同礦工所持有的設備是按照系統規則正常運轉，這對物理基礎設施網絡的穩定性有着非常重要的影響。如果將設備數據直接上鏈，只能保證上鏈後的數據不可篡改，而無法保證鏈上數據的真實性。因此需要驗證者角色的出現，他們以特殊的規則參與設備數據真實性的驗證工作。
社區治理者：在分布式協作過程中，公平、公开、透明在治理中非常重要。為防止治理者作惡，治理者通常需要質押一定數量的 Token，治理權與 Token 的質押數量和質押時長有關，實現治理者與生態利益的強綁定關系。
項目投資人：與傳統商業一樣，在項目早期還未發行代幣階段，仍需依賴外部投資機構支持項目發起人在技術和商業方面的支出。投資機構通常會以 DePIN 項目發起人的主體股權或 DePIN 項目代幣分配作為回報。如果以主體股權方式，投資機構需要等到 DePIN 項目發起人 IPO 後退出，或者 DePIN 項目方以未來收益或股權代幣化，通過 STO 發幣的方式退出。如果以項目代幣分配方式，代幣通常會分 2-4 年時間线性解鎖。
其他：項目方通常會預留 3-5% 的代幣用於獎勵生態顧問，或獎勵系統技術漏洞發現的機構或個人。根據不同項目類型，貢獻者類型會有所差異。

5. Token

如果說共識是鏈上項目的根基，那么 Token 則是經濟系統的血脈。從 Web3 項目創意到技術开發，再到後期運營、生態發展和社區等的價值都將體現在 Token 中。用肖風博士的「三代幣模型」理解 DePIN 項目，NFT 是 DU 的數字證明，功能型 Token 代表 DePIN 的使用權，而證券型 Token 代表實體企業（創始機構、DU 生產企業或其他）的股權。在 DePIN 項目中，一般會使用一到兩種功能型 Token 捕獲生態價值，這類 Token 具有以下幾點特徵：

Token 通常會以獎勵或空投的方式免費發放給貢獻者；
Token 發行速度需要匹配經濟活動總量的增長速度；
Token 會被用作生態中的支付工具或治理憑證；
Token 作為交易手續費或通過創始團隊回購等方式回流，一部分回流的 Token 按照規則被燃燒，讓總量持續減少，以實現經濟系統處於通縮狀態；
Token 所捕獲的價值源於現實世界資產（RWA），受二級市場高頻交易影響，價格會發生變化。為了讓參與者專注於經濟活動本身，通常會分離 Token 的資產功能和貨幣功能以隔離價格波動對市場應用側帶來的影響；典型做法是錨定美元貨幣鑄造支付型穩定幣，且這類穩定幣僅通過燃燒資產功能的功能型 Token 才能獲得。

6. DAO 社區

在去中心化自組織 DAO 模式下，任何人隨時隨地都可以發起對 DePIN 項目發展的各類提案或參與各種事項的決策投票。為防止治理攻擊，通常會將參與提案或投票的治理者利益與 DePIN 項目進行強綁定，即任何負面治理導致的損失需要治理者承擔，典型做法是根據質押功能型 Token 的數量和質押時長決定治理者的權利。

DePIN DAO 社區通常需要治理的內容包括但不限於以下：

合格 DU 供應商名單投票；
DePIN 技術實施提案及投票；
影響 DePIN 經濟模型的各項參數提案及投票；
經濟模型迭代提案及投票。

（二）經濟模型

在互聯網平臺經濟中,人們習慣討論商業模型，很少有人會討論經濟模型，甚至有人將商業模型和經濟模型概念進行混淆使用。但是在 Web3 經濟系統中，我們能夠看到兩個概念本質的區別，因為每個 Web3 項目都有自己的貨幣體系。在 Web3 項目中，商業模式講述項目如何創造、傳遞和獲取價值，而經濟模型講述的是 Token 本身的供需模型和貨幣政策模型。Web3 經濟模型和商業模型並不是獨立的，因為經濟模型需要商業模型承載，而商業模型又決定着如何調節經濟模型。萬向區塊鏈首席經濟學家鄒傳偉博士將經濟模型的設計分為以下幾個步驟：

思考經濟故事；
提煉經濟模型的「腳手架」；
確定 Token 化的對象和使用場景，包括支付工具；
確定公共產品的投融資機制；
制定去中心化、去信任化環境中各參與方的激勵；
確定價值捕獲的有效性；
選擇 Token 的二級市場並評估其影響；
根據用戶需求和風控，完善經濟模型細節並不斷迭代。

在 DePIN 經濟模型設計中，以下 9 個問題有助於項目方和專業從業者思考如何設計一個經濟模型：

項目的 Roadmap 是什么？
網絡上支持什么商品的流通？
相關商品有哪些提供者和需求者？它們的利益最大化目標是什么？
Token 在商品流通中的作用是什么？
Token 如何發行？如何體現 Proof of Physical Work 原則？
Token 的用途有哪些？以及如何回流？
准備如何激勵早期貢獻者？
通過 DAO 准備達成哪些目的？
網絡中有哪些不穩定因素？

四、總結

DePIN，通過 Token 捕獲現實世界資產（RWA）的物理基礎設施價值。以從下到上的自組織方式，通過經濟機制吸引用戶，充分發揮了分布式經濟的規模效用。相較而言，DePIN 仍處於非常早期階段，其商業模型和經濟模型都在快速迭代中。雖然 DePIN 讓我們看到了很多可能性，但它並不是萬能的，通過對 Helium、Filecoin 等早期項目的研究，我們可以發現其在商業和技術方面依然存在邊界，並不是適合所有場景，簡單總結為以下幾方面：

1. DePIN 適用於單一基礎設施場景，避免多場景迭代，即避免「既要、又要」。由於 DePIN 涉及物理世界設備之間的交互，因此項目目標和參與規則要盡可能簡化，降低項目認知門檻，避免因復雜規則導致貢獻者理解偏差，出現貢獻者行為與項目總目標相背離的情況。

2. 物理基礎設施網絡組建中，如果存在人為管理和運營的環節，DePIN 模式並不適用。從供應鏈四流（商流、物流、資金流、信息流）解釋，僅在 DU 买賣環節涉及物流外，其他環節均能夠在鏈上完成，才能夠減少分布式物理基礎設施網絡建設中的各種摩擦。鏈下活動每增加一項，DePIN 經濟活動中就需要通過中心化方式解決該類摩擦，分布式商業的規模效應也可能被弱化。

3. 在項目發展初始階段，很難顯現出分布式經濟的規模效應，僅當網絡超過一定規模後（稱為「關鍵規模」），才能體現出相對中心化商業機構的優勢。如圖 4 所示，在達到關鍵規模（兩條线第二次相交處）後，才能體現出分布式組織在規模擴張和價值創造方面的優勢。因此，DePIN 項目在未達到關鍵規模前，仍需依賴於核心團隊布 DePIN 節點，對網絡的方式以弱中心化方式進行推進。待達到關鍵規模後核心團隊通常會退出，網絡治理也同步交由社區治理，通過分布式方式提高網絡效應。