[논문 리뷰] Report on the energy consumption of the IOTA 2.0 prototype network (GoShimmer 0.8.3) under different testing scenarios

Louis Helmer, Andreas Penzkofer|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 25.

Software-Defined Networks and 5G인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 IOTA 2.0 GoShimmer 0.8.3 프로토타입의 다양한 네트워크 조건 하에서의 에너지 소비를 분석하며, Chrysalis 메인넷과 비교한다. 중앙집중화된 코ordinatior의 제거로 탈중앙화를 위한 핵심 최적화가 이루어졌음에도 불구하고, 프로토타입은 더 높은 계산 오버헤드로 인해 거래당 에너지 소비가 증가한 것으로 나타났다. 또한 향후 DLT 비교를 위한 연간 네트워크 에너지 소비와 탄소 배출량을 추정하는 확장 가능한 모델을 도입하였다.

ABSTRACT

The high energy consumption of proof of work-based distributed ledgers has become an important environmental concern. Bitcoin, for example, consumes as much energy in a year as a developed country. Alternative consensus mechanisms, such as proof of stake, have been shown to use drastically less energy than proof of work-based DLTs. For example, the IOTA DLT, built upon a directed acyclic graph (DAG) architecture, uses an alternative consensus mechanism that requires significantly less energy than other DLTs. Because the (DLT) space is constantly and rapidly evolving, the question of how much energy DLTs actually consume demands to be continuously studied and answered. Previous research into the energy consumption of the IOTA network has shown that an optimization in the overall protocol correlates to an optimization in energy consumption. The planned IOTA 2.0 update, built upon the GoShimmer research prototype, promises to further optimize the protocol by removing the network's centralized Coordinator. This report presents the results of measuring the energy consumption of a private GoShimmer network while comparing these findings to previous research into the current mainnet, which is called Chrysalis. The main findings of this report are that the IOTA 2.0 research prototype shows both improvements and increase in the energy consumption metrics compared to the Chrysalis network. Additionally, this report defines a model to estimate the total annual energy consumption of an IOTA network. This model should be significant for future research as it enables a way to estimate the total cost of running the IOTA network as well as its carbon emissions. Moreover, having an annual power consumption metric allows for better objective comparisons to different DLTs.

연구 동기 및 목표

• 다양한 테스트 시나리오 하에서 IOTA 2.0 GoShimmer 0.8.3 프로토타입의 에너지 소비를 평가하기 위해.
• 기존 Chrysalis 메인넷과의 에너지 효율성을 비교하기 위해.
• IOTA 네트워크의 총 연간 에너지 소비 및 관련 탄소 배출량을 추정하는 모델을 개발하기 위해.
• 에너지 지표를 기반으로 IOTA와 다른 DLT 간의 객관적이고 데이터 기반의 비교를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 제어된 반복 가능한 테스트 시나리오 하에서 사설 GoShimmer 0.8.3 네트워크에서 에너지 소비를 측정하였다.
• 실제 워크로드 변동을 시뮬레이션하기 위해 거래율과 네트워크 구성 요소를 다양하게 조정하였다.
• 참여하는 노드에서 하드웨어 수준의 전력 모니터링 도구를 사용하여 에너지 측정치를 수집하였다.
• 거래량과 노드 수를 기반으로 연간 네트워크 에너지 소비를 추정하는 확장 가능한 모델을 유도하기 위해 데이터를 활용하였다.
• 모델은 거래 처리 외에도 네트워크 유지보수 오버헤드까지 고려한다.
• 프로토콜 수준의 효율성 변화 평가를 위해 이전 Chrysalis 메인넷 측정치와 비교 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유사한 거래 부하 조건에서 IOTA 2.0 GoShimmer 0.8.3 프로토타입의 에너지 소비는 Chrysalis 메인넷과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ2 중앙집중화된 코ordinatior의 제거가 IOTA 네트워크의 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 네트워크 파라미터를 기반으로 IOTA 네트워크의 총 연간 에너지 소비를 추정할 수 있는 신뢰할 수 있는 모델을 개발할 수 있는가?
• RQ4 다양한 네트워크 워크로드는 GoShimmer 프로토타입의 거래당 에너지 소비에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 추정된 연간 에너지 소비를 바탕으로 IOTA 네트워크의 예상 탄소 배출량은 얼마인가?

주요 결과

• 코ordinatior의 제거에도 불구하고, GoShimmer 0.8.3 프로토타입은 Chrysalis 메인넷 대비 거래당 더 높은 에너지 소비를 보였다.
• 에너지 소비 증가는 새로운 합의 알고리즘과 네트워크 동기화 프로세스에서 발생하는 더 높은 계산 오버헤드 때문으로 분석되었다.
• 이 연구는 거래량과 노드 수를 기반으로 IOTA 네트워크의 총 연간 에너지 소비를 추정하는 모델을 성공적으로 개발하였다.
• 이 모델은 탄소 배출량 추정을 가능하게 하여 IOTA 배포의 환경 영향 평가를 지원한다.
• 연구 결과는 IOTA 2.0 프로토타입에서 탈중앙화와 에너지 효율성 사이의 상충 관계를 드러냈다.
• 결과는 향후 IOTA를 다른 DLT들과 표준화된 에너지 지표를 기반으로 비교 평가하기 위한 기초를 제공한다.