基于凭证与零知识证明的去中心化物理基础设施网络设备注册机制

2.1 DePIN信任鸿沟

DePIN依赖链下设备数据（例如，传感器读数、位置证明）来触发链上代币奖励。这造成了一个可验证性鸿沟。区块链无法自主验证报告“50 Mbps带宽”的设备是否确实拥有该带宽，或者传感器是否经过校准并放置在声称的位置。当前的状况通常涉及对预言机或设备所有者的盲目信任，这是一个中心化的故障点。

2.2 链上验证与链下验证的两难困境

先前的解决方案呈现出一种权衡：

• 链上验证：直接在链上存储和检查设备凭证（例如，来自制造商的签名证书）是透明的，但会泄露潜在的机密商业或个人数据（例如，确切的硬件规格、序列号、所有者身份）。
• 链下验证：将验证逻辑保持在链下（例如，在可信预言机中）可以保护隐私，但重新引入了DePIN旨在消除的中心化和信任假设。

本文将此确定为核心问题：如何在保持凭证属性机密性的同时，对设备凭证进行无需信任、去中心化的验证？

3.1 系统模型与架构

CDR框架引入了一个涉及四个关键参与者的逻辑流程：

1. 颁发者： 一个可信实体（例如，设备制造商、认证机构），负责颁发证明设备属性的可验证凭证。
2. 设备/证明者： 持有VC的物理设备（或其所有者），必须在注册期间证明凭证的有效性。
3. 智能合约/验证者： 定义注册策略（例如，“设备必须拥有≥8GB内存”）并验证ZK证明的链上逻辑。
4. DePIN网络： 在成功注册后接纳设备的更广泛应用程序。

3.2 零知识证明的作用

零知识证明是解决这一困境的密码学引擎。设备可以生成一个证明 $\pi$，使智能合约确信以下陈述：“我拥有来自颁发者X的有效凭证，并且该凭证内的属性满足策略Y（例如，内存 > 8GB），而无需透露实际凭证或具体的属性值。” 这使得策略执行能够在完美的隐私保护下进行。

4.1 证明系统选择：Groth16 与 Marlin

本文评估了两种主流的zkSNARK系统：

• Groth16： 一种基于配对的高效证明系统，以其证明体积小和验证速度快而闻名。然而，它需要为每个电路执行可信设置。
• Marlin： 一种较新的通用且可更新的SNARK。它使用通用的结构化引用字符串，允许为许多不同的电路执行一次可信设置，提供了更大的灵活性。

4.2 实验结果与性能权衡

实验揭示了一个关键的工程权衡，如下方概念图所示：

6.1 数学形式化

CDR的核心ZK陈述可以形式化。令：

• $C$ 为设备的凭证，是来自颁发者 $I$ 的签名数据结构：$C = \{attr_1, attr_2, ..., sig_I\}$。
• $\Phi$ 为颁发者 $I$ 的公开验证密钥。
• $\mathcal{P}$ 为公开的注册策略（例如，$attr_{ram} > 8$）。
• $w = (C, private\_attrs)$ 为证明者的私有见证。

设备为关系 $R$ 生成一个zkSNARK证明 $\pi$：

$R = \{ (\Phi, \mathcal{P}; w) : \text{VerifySig}(\Phi, C) = 1 \ \wedge \ \text{CheckPolicy}(\mathcal{P}, C) = 1 \}$

智能合约仅知道 $\Phi$ 和 $\mathcal{P}$，可以验证 $\pi$ 以确信陈述为真，而无需了解 $w$。

6.2 分析框架：一个假设的DePIN用例

场景： 一个去中心化无线网络（如Helium 5G）要求热点提供商证明其设备具有最低天线增益，并且不位于地理上饱和的小区中，以获得全额奖励。

CDR应用：

1. 颁发： 经批准的天线制造商向设备的安全元件颁发VC，签署诸如 `model: ABC-123`、`gain: 5dBi`、`serial: XYZ789` 等属性。
2. 注册证明： 设备的软件构造一个ZK证明，证明：“我的VC由制造商M有效签名，并且`gain`属性 > 3dBi，并且`serial`号码不在公开的撤销列表中（Merkle树非成员证明），而无需透露确切的序列号或增益值。” 可以结合一个单独的位置证明（例如，通过可信硬件）。
3. 链上策略： 网络的智能合约持有策略 $\mathcal{P}_{5G} = (gain > 3, location\_cell \not\_saturated)$。它验证这个单一、紧凑的证明 $\pi$。
4. 结果： 设备以“已验证”状态注册，有资格获得更高等级的奖励，同时其精确的硬件规格和序列号仅在所有者和制造商之间保持机密。