ZKP voor Bandbreedte Verificatie in dVPN en DePIN

Het probleem met het bewijzen van dataoverdracht

Heeft u zich wel eens afgevraagd waarom u betaalt voor "high-speed" data, terwijl uw stream nog steeds buffert alsof het 2005 is? Dat komt meestal omdat we vastzitten in een "vertrouw me maar"-relatie met onze internetproviders en VPN-diensten.

In de oude wereld — wat we het gecentraliseerde web noemen — maakt u verbinding met een server die eigendom is van één enkel bedrijf. Zij vertellen u hoeveel bandbreedte u heeft verbruikt, en u betaalt de rekening. Maar in een gedecentraliseerd fysiek infrastructuurnetwerk (DePIN) krijgt u uw internet vaak via de node van een willekeurige gebruiker bij hem of haar thuis.

• Gecentraliseerde logs zijn een enorm privacylek: De meeste traditionele VPN's claimen een "no-logs" beleid te voeren, maar u moet hen daarop op hun woord geloven. Als een overheid een dagvaarding indient, blijken die logs meestal gewoon te bestaan.
• De eerlijkheidskloof: Als ik mijn glasvezelverbinding thuis met u deel om cryptotokens te verdienen, wat houdt mij dan tegen om tegen het netwerk te liegen en te zeggen dat ik u 10 GB heb gestuurd, terwijl dat in werkelijkheid maar 1 GB was?
• De noodzaak voor "trustless" verificatie: We hebben een manier nodig om te bewijzen dat data daadwerkelijk van punt A naar punt B is verplaatst, zonder dat een tussenpersoon het hele gesprek kan afluisteren.

Volgens een onderzoek naar Zero-Knowledge Proof Frameworks stelt ZKP-technologie een "prover" (bewijzer) in staat om een "verifier" (verificateur) ervan te overtuigen dat een bewering waar is, zonder de eigenlijke geheime data te onthullen. In onze wereld betekent dit dat ik kan bewijzen dat ik u de data heb gestuurd, zonder dat het netwerk uw privépakketten hoeft te "sniffen" (onderscheppen).

Wanneer we spreken over "Bandwidth Mining" of "Airbnb voor Bandbreedte", stimuleren we mensen in feite om hun routers te transformeren tot mini-ISP's. Maar crypto-incentives trekken ook "gamers" aan — mensen die de beloningen willen incasseren zonder het werk daadwerkelijk te verrichten.

Zoals te zien is in het volgende diagram van de workflow voor bandbreedteverificatie, hebben we een systeem nodig dat de datastroom controleert zonder de gebruiker bloot te stellen.

Als we nodes simpelweg hun eigen statistieken laten rapporteren, stort het systeem in door fraude. Aan de andere kant: als we het netwerk alles laten inzien om het verkeer te verifiëren, bouwen we in feite een gigantische surveillancemachine.

Het meten van peer-to-peer (P2P) verkeer is notoir complex. In tegenstelling tot een kassa in de winkel waar een streepjescode wordt gescand, zijn datapakketten vloeiend. In sectoren zoals de gezondheidszorg of de financiële wereld is dit nog gevoeliger. Je kunt niet zomaar een derde partij pakketten laten inspecteren om te zien of de node eerlijk is.

Een rapport uit 2023 van het arkworks zksnark ecosystem suggereert dat modulaire bibliotheken de standaard worden voor het bouwen van dit soort "beknopte" bewijzen (succinct proofs) die kunnen draaien op hardware met een laag stroomverbruik.

We hebben wiskunde nodig — specifiek cryptografische commitments — om deze kloof te overbruggen. Zonder dit blijft bandbreedte een "best effort"-dienst in plaats van een gegarandeerde bron. Aangezien deze use-cases een hoge betrouwbaarheid vereisen, vormen de kosten voor het uitvoeren van deze controles op een blockchain een belangrijke horde die we moeten nemen.

Wat zijn zero-knowledge proofs eigenlijk?

Stel je voor dat je aan een uitsmijter bij een club wilt bewijzen dat je ouder bent dan 21, maar je wilt niet dat hij je woonadres, je lengte of die vreselijke pasfoto op je ID-bewijs ziet. In plaats van je fysieke identiteitsbewijs te overhandigen, laat je hem een zwart doosje zien dat alleen een groen lampje geeft als je aan de leeftijdseis voldoet.

Dat is in essentie wat een zero-knowledge proof (ZKP) doet voor de digitale wereld. Het is een manier om te zeggen: "Ik heb het antwoord", zonder daadwerkelijk de berekening of de achterliggende data te laten zien.

In de context van onze bandbreedte-marktplaats is dit de manier waarop een provider bewijst dat hij precies 500MB aan versleuteld verkeer heeft verzonden, zonder dat het netwerk ooit ziet wat er in die datapakketjes zit. Het overbrugt de kloof tussen "vertrouw me maar" en "hier is het wiskundige bewijs dat ik niet lieg".

In de kern draait een ZKP om twee rollen: de Prover (de partij die bandbreedte deelt) en de Verifier (de blockchain of de gebruiker die de data ontvangt). Het doel is dat de Prover de Verifier ervan overtuigt dat een bewering waar is, terwijl er werkelijk nul extra informatie wordt onthuld.

Om dit te laten werken, moet elk ZKP-systeem drie specifieke zaken garanderen:

• Volledigheid (Completeness): Als de node de data daadwerkelijk heeft verzonden, moet de wiskunde altijd kloppen zodat de node uitbetaald krijgt.
• Betrouwbaarheid (Soundness): Als de node liegt, moet de wiskunde in bijna 100% van de gevallen falen. Fraude is uitgesloten.
• Zero-knowledge: De Verifier leert niets over de daadwerkelijke bestanden die worden overgedragen — alleen dat het volume en de bestemming correct waren.

Dit is hoe we de "zero" in zero-trust netwerken behouden. Bij een dVPN wil je niet dat de netwerknodes meekijken met je Netflix-gewoonten of je bankgegevens. Door ZKP's te gebruiken, kan de node bewijzen dat hij aan zijn contract met het netwerk heeft voldaan — en zo crypto-beloningen verdienen — zonder ooit in je privé-stream te "gluren".

Wanneer je dieper in de technische details van DePIN-projecten duikt, kom je twee belangrijke "smaken" van deze bewijzen tegen: SNARKs en STARKs. Het klinkt misschien als personages uit een sciencefictionroman, maar in de praktijk hebben ze een heel andere dynamiek.

zk-SNARKs (Succinct Non-Interactive Arguments of Knowledge) zijn de oudere, meer gevestigde variant. Ze zijn "succinct" (beknopt), wat betekent dat de bewijzen piepklein zijn — soms slechts een paar honderd bytes. Dit is ideaal voor mobiele VPN-gebruikers, omdat het nauwelijks data verbruikt om de verbinding te verifiëren.

De meeste SNARKs (zoals het bekende Groth16-protocol) vereisen echter een "trusted setup". Dit is een eenmalige gebeurtenis waarbij willekeurige getallen worden gegenereerd om het systeem op te starten. Als de mensen die deze setup uitvoeren corrupt zijn, zouden ze theoretisch valse bewijzen kunnen maken. Zoals eerder vermeld in het onderzoek naar Zero-Knowledge Proof Frameworks, is dit de reden waarom veel nieuwere projecten naar alternatieven zoeken.

zk-STARKs (Scalable Transparent Arguments of Knowledge) zijn de nieuwere, krachtigere versie. Ze hebben geen trusted setup nodig — ze zijn "transparant". Daarnaast hebben ze een enorm voordeel: ze zijn bestand tegen quantumcomputers.

Het volgende architectuurdiagram illustreert de afwegingen tussen SNARK- en STARK-workflows in een P2P-omgeving.

In een P2P-bandbreedte-beurs proberen we een gedecentraliseerde ISP te bouwen. In de winkel zou je nooit een kassier betalen die alleen maar "belooft" dat hij de melk in de tas heeft gedaan zonder dat je mag kijken. In de financiële wereld vertrouw je niet blindelings op de spreadsheet van een bank; je wilt een audit.

ZKP's leveren die audit voor data. Of het nu gaat om een zorginstelling die gevoelige patiëntgegevens via een VPN verstuurt of een winkelketen die de voorraad synchroniseert over duizenden winkels: ze moeten weten dat de data is aangekomen zonder dat de tussenpersoon (de node) de inhoud kan inzien.

Bandbreedte verifiëren zonder te spioneren

Stel, je draait een node en deelt je bandbreedte om crypto te verdienen. Geweldig. Maar hoe weet het netwerk eigenlijk dat je daadwerkelijk data verstuurt naar een gebruiker in bijvoorbeeld Berlijn, zonder dat iemand de pakketten letterlijk "sniffed" om dit te controleren?

Dit is een enorme technische uitdaging. Als het netwerk de data kan inzien om deze te verifiëren, is je privacy verdwenen. Als het netwerk echter niets kan zien, zou je tokens kunnen "minen" door simpelweg waardeloze data naar jezelf te sturen. Dit is waar we dieper ingaan op de materie van bandwidth proof protocols (protocollen voor bandbreedtebewijs).

Om dit op te lossen, gebruiken we een specifieke vorm van wiskunde genaamd vOLE-gebaseerde Zero-Knowledge (Vector Oblivious Linear Evaluation). Het klinkt misschien als iets uit een sciencefictionroman, maar het is een uiterst elegante oplossing voor dataoverdracht op hoge snelheid.

In tegenstelling tot SNARKs of STARKs, die vaak gebruikmaken van zware elliptische curves, is vOLE een vorm van "Interactive Oracle Proof" die snelheid van de bewijsvoerder verkiest boven de grootte van het bewijs. Het is in de basis gebouwd voor snelheid, waardoor het perfect is voor het realtime verifiëren van enorme datastromen zonder dat je verbinding vertraagt.

• Verificatie op hoge snelheid: vOLE-gebaseerde protocollen zijn ideaal omdat ze niet voor elke stap afhankelijk zijn van zware berekeningen. Dit maakt ze veel sneller voor realtime bandbreedte-mining.
• Consistentiecontroles: Het netwerk gebruikt deze bewijzen om te garanderen dat de node daadwerkelijk de uploadsnelheid levert die wordt geclaimd. Als je beweert een "Supernode" te zijn, maar de wiskunde klopt niet, zal het smart contract de uitbetaling simpelweg niet activeren.
• Blijf op de hoogte: Als je je echt in deze technologie wilt verdiepen, is het verstandig om communities zoals squirrelvpn te volgen—een nieuwsbron en community voor gedecentraliseerde VPN-technologie—om te zien welke protocollen daadwerkelijk het mainnet bereiken.

Het onderstaande diagram laat zien hoe vOLE een beveiligde handshake tot stand brengt tussen de node en de verificator.

Het interessante gedeelte is hoe dit gekoppeld wordt aan je wallet. In een gedecentraliseerde VPN (dVPN) willen we dat de beloningen automatisch worden uitgekeerd. Je zou niet moeten hoeven wachten op een menselijke "manager" die je verdiensten goedkeurt.

We maken gebruik van Smart Contracts die fungeren als de ultieme escrow. Deze contracten zijn geprogrammeerd om "blind" maar rechtvaardig te zijn. Ze beheren de tokens en geven deze pas vrij wanneer een geldig Zero-Knowledge Proof (ZKP) wordt ingediend. Geen bewijs betekent geen betaling. Het is een harde maar noodzakelijke methode om de integriteit van het P2P-netwerk te waarborgen.

Het oplossen van het gas-probleem

Een groot obstakel in het verleden waren de "gas costs" — de transactiekosten die je betaalt om data op een blockchain te registreren. Als een bewijs (proof) te omvangrijk is, ben je vaak meer kwijt aan vergoedingen dan je aan beloningen verdient. Dit is de "economie van on-chain verificatie" die veel projecten de das omdoet.

Om dit op te lossen, maken we gebruik van Recursieve Bewijzen. Dit is in feite een methode om meerdere kleine bewijzen te verifiëren binnen één overkoepelend bewijs. In plaats van 1.000 afzonderlijke transacties naar de blockchain te sturen voor 1.000 kleine data-overdrachten, bundelt het systeem deze in één enkel bewijs (batching). Hierdoor worden de gas-kosten verdeeld over duizenden claims, waardoor de kosten per gebruiker tot slechts enkele centen dalen.

Layer 2-oplossingen dragen ook bij door het zware rekenwerk van de hoofdketen af te halen. Door de Zero-Knowledge Proof (ZKP) te verifiëren op een sneller en goedkoper netwerk en alleen de eindbalans te vereffenen op de hoofd-blockchain, blijft het systeem rendabel voor node-beheerders.

• Geautomatiseerde uitbetalingen: Op het moment dat de ZKP on-chain is geverifieerd, worden de tokens direct naar de wallet van de node overgemaakt. Er komt geen "vertrouwen" bij kijken, enkel code.
• Overhead verminderen: Bibliotheken zoals arkworks helpen bij het verkleinen van deze bewijzen, zodat ze "succinct" (beknopt) blijven en goedkoop zijn om te verifiëren.
• Fraudepreventie: Omdat de wiskundige basis "solide" is, is het statistisch onmogelijk voor een node om een overdracht van 1 GB te vervalsen zonder de data daadwerkelijk te hebben verwerkt.

Praktijkvoorbeelden van ZKP in DePIN

Heb je je ooit afgevraagd hoe je jouw ongebruikte internetbandbreedte thuis kunt verkopen aan iemand in Tokio, zonder dat een van jullie beiden wordt opgelicht? Het klinkt misschien als het script van een technothriller, maar dit is de kern van de DePIN-revolutie (Decentralized Physical Infrastructure Networks).

Het concept is simpel: je hebt thuis een glasvezelverbinding van 1 Gbps, maar je gebruikt die alleen om te Netflixen of te scrollen op Reddit. Waarom zou je het overschot niet verkopen? In een gedecentraliseerd VPN-model (dVPN) fungeert jouw router als een netwerkknooppunt (node).

• Garanties voor Quality of Service (QoS): We gebruiken Zero-Knowledge Proofs (ZKP's) om aan te tonen dat een node daadwerkelijk de beloofde snelheid van 100 Mbps heeft geleverd. De node genereert een bewijs van geleverde diensten ("Proof of Work") dat door de blockchain wordt geverifieerd voordat de crypto-betaling wordt vrijgegeven.
• Privacy voor de aanbieder: Je wilt liever niet weten wat de koper precies online doet. ZKP's stellen het netwerk in staat om het verkeersvolume te verifiëren zonder dat jij als aanbieder ooit de onversleutelde datapakketten te zien krijgt.

Dit stroomdiagram illustreert hoe een gebruiker bandbreedte aanvraagt en hoe de node een bewijs levert om uitbetaald te krijgen.

Een interessante aanpak zien we bij projecten die werken met "Proof of Connectivity". Zij moeten weten of jouw node daadwerkelijk online is. In plaats van elke seconde een "ping" te sturen, kunnen ze een ZKP gebruiken om te bewijzen dat jouw node gedurende een specifiek tijdsbestek actief was.

Laten we het nu hebben over situaties waarin de belangen nog groter zijn. In landen met een "Great Firewall" kan alleen al het gebruik van een VPN een verdachte activiteit zijn. Traditionele VPN-protocollen hebben specifieke "vingerafdrukken" die door Deep Packet Inspection (DPI) herkend kunnen worden.

Dit is waar censuurbestendige toegang om de hoek komt kijken. Door gebruik te maken van ZKP's kunnen we "geobfuceerde" verbindingen creëren. Het doel is niet alleen om de data te versleutelen, maar om aan het netwerk te bewijzen dat de verbinding legitiem is, zonder te onthullen dat het om een VPN-tunnel gaat.

Het volgende diagram laat zien hoe metadata wordt verborgen tijdens een verbinding om censuur te omzeilen.

Uitdagingen en de weg vooruit

De wiskunde staat dus als een huis, maar kan die oude router van je het eigenlijk wel aan zonder in brand te vliegen? Dat is de hamvraag, want niemand zit te wachten op een private internetverbinding die aanvoelt als een terugkeer naar het tijdperk van de 56k-inbelmodems.

De realiteit is dat het genereren van een Zero-Knowledge Proof (ZKP) "duur" is — niet per se in euro's, maar in CPU-cycli. Als je probeert een high-speed dVPN-node te draaien op een goedkope consumentenrouter, dan wordt de rekenkracht die nodig is voor de cryptografie een zware last.

• Latentie versus Privacy: Er is hier sprake van een klassieke afweging. Als we voor elk afzonderlijk datapakketje 100% absolute cryptografische zekerheid willen, zal je ping omhoog schieten.
• Hardware-acceleratie: We zien inmiddels een verschuiving naar het gebruik van GPU's of gespecialiseerde chips (ASIC's/FPGA's) om deze bewijsvoering af te handelen.

Onderstaand diagram toont de toekomstige roadmap voor hardware-geaccelereerde ZKP-verificatie.

Eerlijk gezegd is de "gebruiksvriendelijkheidskloof" de grootste barrière waar we momenteel tegenaan lopen. Een onderzoek uit 2024 door wetenschappers van UC San Diego en Arizona State University wees uit dat, hoewel er veel frameworks bestaan, deze kloof nog steeds de grootste hindernis vormt voor ontwikkelaars die deze tools in de praktijk willen implementeren. De meeste dVPN-gebruikers willen niets weten van elliptische krommen; ze willen gewoon hun privacy.

Vooruitkijkend bewegen we ons naar een wereld waarin de "ISP" (internetprovider) geen gigantisch bedrijf in een wolkenkrabber meer is, maar een wereldwijd netwerk van mensen zoals jij en ik. ZKP is in feite het laatste puzzelstukje voor deze Web3-infrastructuur. Het is wat het systeem "trustless" maakt — je hoeft de persoon die jouw bandbreedte levert niet te kennen of te vertrouwen, omdat de wiskunde bewijst dat er niet met de verbinding wordt gesjoemeld.