[論文レビュー] 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)|Oct 25, 2022

Software-Defined Networks and 5G被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、IOTA 2.0 GoShimmer 0.8.3プロトタイプのエネルギー消費を、さまざまなネットワーク環境下で評価し、Chrysalisメインネットと比較している。中央集権的なコーディネータの削除という分散化のための重要な最適化がなされたものの、新しいコンSENSUSメカニズムとネットワーク同期プロセスに起因する高い計算オーバーヘッドのため、トランザクションあたりのエネルギー消費量が増加している。一方で、将来のDLT比較のための年間ネットワークエネルギー消費量および炭素排出量を推定するスケーラブルなモデルを導入している。

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.

研究の動機と目的

• さまざまなテストシナリオ下でのIOTA 2.0 GoShimmer 0.8.3プロトタイプのエネルギー消費を評価すること。
• GoShimmer 0.8.3プロトタイプと既存のChrysalisメインネットのエネルギー効率を比較すること。
• IOTAネットワークの年間総エネルギー消費量および関連炭素排出量を推定するモデルを開発すること。
• エネルギー指標に基づいて、IOTAと他のDLTとの間で客観的かつデータドリブンな比較を可能にすること。

提案手法

• エネルギー消費は、制御された繰り返し可能なテストシナリオ下でのプライベートなGoShimmer 0.8.3ネットワークで測定された。
• テストでは、リアルワールドの負荷変動を模倣するために、トランザクションレートとネットワーク構成を変化させた。
• エネルギー測定は、参加ノード上でハードウェアレベルの電力モニタリングツールを用いて収集された。
• データを基に、トランザクション数とノード数に基づいて年間ネットワークエネルギー消費量を推定するスケーラブルなモデルが導出された。
• モデルは、トランザクション処理およびネットワークメンテナンスのオーバーヘッドの両方を考慮している。
• プロトコルレベルの効率変化を評価するため、以前のChrysalisメインネットからの測定結果と照合された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同じトランザクション負荷下で、IOTA 2.0 GoShimmer 0.8.3プロトタイプのエネルギー消費はChrysalisメインネットと比べてどのようになるか？
• RQ2 中央集権的なコーディネータの削除が、IOTAネットワークのエネルギー効率に与える影響は何か？
• RQ3 ネットワークパラメータに基づいて、IOTAネットワークの年間総エネルギー消費量を信頼性高く推定するモデルを開発できるか？
• RQ4 異なるネットワークワークロードが、GoShimmerプロトタイプにおけるトランザクションあたりのエネルギー消費量に与える影響は何か？
• RQ5 推定された年間エネルギー消費量に基づいて、IOTAネットワークの予想される炭素排出量は何か？

主な発見

• 中央集権的なコーディネータの削除にもかかわらず、GoShimmer 0.8.3プロトタイプはChrysalisメインネットと比較して、トランザクションあたりのエネルギー消費量が高くなっている。
• エネルギー消費の増加は、新しいコンセンサスメカニズムおよびネットワーク同期プロセスに起因する高い計算オーバーヘッドに起因している。
• 本研究では、トランザクション数とノード数に基づいて、IOTAネットワークの年間総エネルギー消費量を推定するモデルを成功裏に開発した。
• このモデルにより、炭素排出量の推定が可能となり、IOTAの展開における環境影響評価を支援する。
• 研究結果は、IOTA 2.0プロトタイプにおいて、分散化とエネルギー効率の間のトレードオフを浮き彫りにしている。
• 結果は、標準化されたエネルギー指標を用いた、将来のIOTAと他のDLTとのベンチマークの基礎を提供する。