Fortgesetzte Energieeffizienz mit neuen Protokollkomponenten
TL;DR:
Tests des koordinatorlosen IOTA 2.0-Prototyps zeigen schlüssig eine erhebliche Verringerung des Energieverbrauchs für die Ausgabe von Nachrichten und eine Fortsetzung des insgesamt niedrigen Energieverbrauchs des Netzwerks, was IOTA zu einer der umweltfreundlichsten und nachhaltigsten Distributed Ledger Technologien (DLT) macht. Ein GoShimmer-Netzwerk mit 450 Raspberry Pi-Knoten bei einer konstanten Netzwerklast von 50mps würde nur etwa 43,30 % des jährlichen Energieverbrauchs einer Person verbrauchen und 0,000009 % des derzeit geschätzten jährlichen Energieverbrauchs des Bitcoin-Netzwerks verbrauchen.
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Der hohe Energieverbrauch von Proof of Work (PoW)-basierten verteilten Ledgern ist zu einem wichtigen Umweltproblem geworden. Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels verbraucht das Bitcoin-Netzwerk schätzungsweise 204,5 TWh pro Jahr, was etwa dem jährlichen Stromverbrauch Südafrikas von 202 TWh entspricht. Der IOTA DLT basiert auf einer gerichteten azyklischen Graphen-Architektur (DAG) und wird einen neuartigen Zugriffskontrollalgorithmus implementieren, der PoW vermeidet und somit weniger Energie benötigt. Mit den bevorstehenden Protokolländerungen in IOTA 2.0 müssen die Behauptungen zur Energieeffizienz jedoch kontinuierlich durch neue Forschungsergebnisse untermauert werden.
Genau das hat das IOTA-Forschungsteam kürzlich getan, und wir veröffentlichen einen neuen Bericht, der die neuesten Erkenntnisse über den Energieverbrauch des IOTA 2.0-Prototyps darlegt.
Unsere Studie
Der Prototyp der Knotensoftware, mit dem das koordinatorlose IOTA 2.0 getestet wird, heißt GoShimmer. Um den Energieverbrauch eines privaten GoShimmer-Netzwerks zu messen, haben wir mehrere Tests auf einem Raspberry Pi 4B durchgeführt, einem kleinen, leistungsschwachen Computer.
Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Durchführung einer einzigen Transaktion auf dem kommenden IOTA 2.0-Prototyp weniger Energie verbraucht als das Anzünden einer Festtagslampe für nur eine Sekunde.
Das ist eine der überraschenden Auswirkungen der neuen Forschung über die energiesparenden Optimierungen, die mit dem IOTA 2.0-Prototyp einhergehen. Konkret zeigt die Untersuchung, dass bei der Simulation der Abschaffung von Proof of Work (PoW) als Methode des Netzwerks zum Schutz vor Spam mit dem IOTA Congestion Control Algorithm (ICCA) der Energieverbrauch für die Ausgabe einer Nachricht in GoShimmer erheblich verbessert wird.
Die Ergebnisse der mit GoShimmer durchgeführten Tests zeigen, dass der Energieverbrauch einer einzelnen Datentransaktion auf einem Knoten mit einer Netzwerkaktivität von 50 Nachrichten pro Sekunde (mps) nur 0,00678 Joule beträgt. Ein Joule entspricht einer Wattsekunde, also der Energie, die benötigt wird, um einen Weihnachtsbaum eine Sekunde lang zu beleuchten. Ein Joule ist auch die Menge an kinetischer Energie, die beim Fallenlassen einer Tomate aus einer Höhe von etwa einem Meter gewonnen wird. Die folgende Tabelle zeigt die Ergebnisse der beiden wichtigsten Energieverbrauchskennzahlen im Vergleich zum Betrieb einer 1-W-LED für eine Sekunde.
Es ist zu beachten, dass beim Vergleich der Energie pro Nachricht und der Knotenmetrik auch der Energieverbrauch des Hardwaregeräts, auf dem die Knoten laufen, berücksichtigt werden sollte. Eine Nachricht kann nicht ohne den erforderlichen Energieverbrauch der Hardware verarbeitet werden. Die obige Tabelle zeigt zum Beispiel, dass der Raspberry Pi etwas mehr als 2 W verbraucht, was immer noch sehr niedrig ist.
Der niedrige Energieverbrauch des IOTA 2.0-Prototyps wird zusätzlich durch unsere Berechnungen unterstrichen, die zeigen, dass ein hypothetisches IOTA-Netzwerk, das aus 450 Raspberry Pi-Knoten besteht, die mit einer konstanten Netzwerklast von 50mps arbeiten, nur etwa 43,30% des jährlichen Energieverbrauchs einer durchschnittlichen Person in Deutschland (wo die Tests durchgeführt wurden) verbrauchen würde.
Aus einem anderen Blickwinkel betrachtet, aber ebenso ermutigend, würde das gleiche hypothetische Netzwerk nur 0,000009 % des derzeit geschätzten jährlichen Energieverbrauchs des Bitcoin-Netzwerks verbrauchen, der zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Berichts 204,5 TWh beträgt.
Das jüngste Chrysalis-Upgrade des IOTA-Protokolls brachte Verbesserungen für den Energieverbrauch des Protokolls. Um zu bestätigen, dass IOTA 2.0 im Vergleich zu Chrysalis weiterhin energieeffizient ist, haben wir mehrere Tests durchgeführt.
In diesen Tests wird ein Szenario untersucht, in dem es in IOTA 2.0 kein PoW gibt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der Energieverbrauch, der für die Verarbeitung einer Datentransaktion bei einem Durchsatz von 50 ms erforderlich ist, 0,00678 Joule beträgt. Das sind 99,83 % weniger als die Energie, die für eine Transaktion mit PoW in Chrysalis, dem jüngsten IOTA-Upgrade, verbraucht wird (4.025 [J] pro Transaktion, wie in Tabelle 1 gezeigt). Nachfolgend finden Sie einen Vergleich der Ergebnisse mit dem vorherigen Chrysalis-Benchmarking.
Beim Vergleich zwischen GoShimmer und Chrysalis mit PoW ist eine drastische Verringerung des Energieverbrauchs beim Auslösen einer Transaktion zu beobachten. Allerdings ist der Energieverbrauch bei der Verarbeitung einer Nachricht in GoShimmer höher als in der Spalte Chrysalis ohne PoW. Dies lässt sich durch die neuen konsensbezogenen Module und andere Komponenten in GoShimmer erklären. Bisher wurde der Konsens im Chrysalis-Netzwerk erreicht, wenn eine Nachricht durch eine Meilenstein-Nachricht des Koordinators referenziert wurde. Mit dem Wegfall des Koordinators in GoShimmer gibt es nun komplexere Prozesse, die mehr Energie erfordern können.
Die Verringerung des Energieverbrauchs für das Versenden einer Nachricht im Vergleich zwischen GoShimmer und Chrysalis ist vor allem in kleineren Netzen signifikant, während bei sehr großen Netzen und der aktuellen PoW-Schwierigkeit der Energieverbrauch in Chrysalis geringer sein kann als in GoShimmer. Betrachten wir ein Netz mit 100 Knoten: Wenn ein Knoten eine Nachricht aussendet, muss diese Nachricht auch 99 Mal von den empfangenden Knoten verarbeitet werden, obwohl sie nur einmal ausgegeben werden muss. Folglich kann der Energieverbrauch, der für die Verarbeitung einer Nachricht in größeren Netzen erforderlich ist, jede Verringerung des Energiebedarfs für die Ausgabe der Nachricht zunichte machen. Neben der Netzgröße hängt der Gesamtenergieverbrauch eines Netzes auch von der verwendeten Hardware ab. So werden die meisten Knoten im IOTA-Hauptnetz auf Servern von Rechenzentrumsanbietern betrieben, während die Knoten in unserem hypothetischen Netzwerk alle auf energieeffizienten Raspberry Pi-Computern laufen sollen. Infolgedessen sollte die Studie nur einen Eindruck von der Größenordnung des Energieverbrauchs vermitteln, in der IOTA 2.0 betrieben werden wird.
Um zu sehen, wie sich die Verbesserung des Energieverbrauchs für das Versenden einer Nachricht auf den Gesamtenergieverbrauch auswirkt, haben wir das zuvor verwendete GoShimmer-Netz mit einem Chrysalis-Netz mit denselben Parametern verglichen, wie in der folgenden Grafik dargestellt.
Das Diagramm zeigt ein Szenario mit 450 Knoten und einem Durchsatz von 50 mps, bei dem die beiden Netze ungefähr die gleiche Energie verbrauchen. Dieses Beispiel verdeutlicht den oben erwähnten Effekt, bei dem die Verbesserung des Energieverbrauchs bei der Übermittlung einer Nachricht in größeren Netzen unbedeutend wird. Obwohl dies auf den ersten Blick enttäuschend erscheinen mag, sind diese Ergebnisse in Wirklichkeit eine gute Nachricht, denn sie zeigen, dass GoShimmer trotz der durch neue Protokollkomponenten gestiegenen Komplexität immer noch ungefähr die gleiche Energie verbraucht wie Chrysalis! Darüber hinaus muss der Prototyp-Code noch ähnliche Verbesserungen erfahren wie die aktuellen Software-Upgrades der Mainnet-Knoten, die durch Chrysalis eingeführt wurden. Die IOTA 2.0-Lösung hat also noch Spielraum für Verbesserungen der Energieeffizienz. Außerdem ist es möglich, dass der PoW-Schwierigkeitsgrad in Chrysalis erhöht werden muss, wenn das Netzwerk von Spam-Attacken heimgesucht wird, wodurch der Energieverbrauch steigt.
Insgesamt sind die Ergebnisse eine gute Nachricht, da das aktuelle IOTA-Mainnet eine ähnliche Anzahl von Knoten und Netzwerkaktivitäten aufweist wie die Werte, die in den Berechnungen des hypothetischen IOTA-Netzwerks verwendet wurden. Außerdem handelt es sich bei GoShimmer um einen Forschungsprototyp, der noch optimiert werden kann, um die Effizienz zu verbessern. Dies gibt einen optimistischen Ausblick auf die Zukunft, da wir weitere Verbesserungen des Energieverbrauchs von IOTA erwarten können.
Eine grünere DLT
Diese Ergebnisse sind eine gute Nachricht für alle, die sich über die Umweltauswirkungen von Blockchain und anderen DLTs Sorgen machen. Und die Menschen sind zu Recht besorgt über verteilte Ledger, die Proof of Work (PoW) als Konsensmechanismus verwenden: Solche Systeme tragen bekanntermaßen wesentlich zu Umweltproblemen bei, da sie immense Mengen an Energie verbrauchen und viel Elektronikmüll produzieren. Vor allem in Anbetracht der Dringlichkeit des Klimawandels müssen wir den Energieverbrauch und die Effizienz der Produkte und Dienstleistungen, die unser tägliches Leben bestimmen, neu bewerten, und dazu gehört zunehmend auch die DLT.
Mit der Veröffentlichung unserer neuen Untersuchung des IOTA 2.0-Prototyps heben wir hervor, dass IOTA 2.0 aufgrund seines geringen Energieverbrauchs nur minimale Auswirkungen auf die Umwelt hat. Dies zeigt, dass im Gegensatz zu DLTs, die PoW verwenden, bestimmte DLTs zur Erreichung von Klimazielen beitragen können, wenn sie als Teil von digitalen Nachhaltigkeitslösungen eingesetzt werden.
Die IOTA Foundation arbeitet beispielsweise mit einem globalen Ökosystem von Partnern zusammen, um nachhaltige Technologien für den Einsatz in Industrie, Handel, Mobilität, Smart Cities und mehr zu erforschen und zu entwickeln. Beispiele hierfür sind Digital MRV, eine Zusammenarbeit mit ClimateCHECK zur Digitalisierung der Messung, Berichterstattung und Überprüfung von Nachhaltigkeitsleistungen, und die Trade Logistics Information Pipeline (TLIP) in Zusammenarbeit mit TradeMark East Africa, die die Lebensbedingungen ostafrikanischer Händler durch den Aufbau einer digitalen Infrastruktur für den Datenaustausch in grenzüberschreitenden Prozessen verbessert.
Es ist von entscheidender Bedeutung, dass digitale Lösungen für die Nachhaltigkeit, wie z. B. das digitale MRV und die TLIP, nicht selbst einen hohen Energieverbrauch haben. Aufgrund seines geringen Gewichts und seiner Energieeffizienz ist das IOTA DLT ideal für diese Aufgabe.
Ausblick und zukünftige Forschung
Die aktualisierten Energiedaten für das künftige IOTA 2.0-Protokoll-Upgrade bestätigen, dass IOTA aufgrund seines geringen Energieverbrauchs weiterhin eine geringe Umweltbelastung aufweist. Wir glauben, dass die Transparenz der Energieverbrauchskennzahlen von entscheidender Bedeutung ist, da sie es Regulierungsbehörden, Institutionen und Investoren ermöglicht, fundiertere Entscheidungen über den DLT-Sektor zu treffen. Wir hoffen auch, dass wir durch die Veröffentlichung unseres Energieverbrauchsprofils andere Projekte motivieren können, ihre eigenen Energieverbrauchsanalysen durchzuführen.
Mit den Fortschritten der IOTA-Technologie sollte auch die Erforschung ihrer Umweltauswirkungen voranschreiten. Die aktuellen Ergebnisse sollten daher nicht als Endpunkt der Forschung über den Energieverbrauch von IOTA 2.0 angesehen werden. Zukünftige Forschungen können sich darauf konzentrieren, eine genaue jährliche Zahl für den Energieverbrauch des IOTA-Hauptnetzes zu liefern, was für Vergleiche mit anderen Protokollen von Vorteil wäre. Darüber hinaus wird eine Analyse von GoShimmer und dessen Energieverbrauch dazu dienen, die in diesem Blogpost vorgestellten Zahlen zu aktualisieren.
Wenn Sie an detaillierteren Informationen über die Untersuchung interessiert sind, können Sie den vollständigen Bericht hier lesen. Um über die neuesten Entwicklungen des IOTA-Forschungsteams auf dem Laufenden zu bleiben, besuchen Sie die Forschungsseite im neu eingerichteten IOTA Governance Forum.
Original by IOTA Foundation: https://blog.iota.org/energy-consumption-of-iota-2-0/
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