CC BY
45
УДК 656.21 2.3
Экологические аспекты технологии распределенного реестра на примере алгоритма консенсуса Proof-of-Work
А. Ю. Попадюк 12, Е. К. Коровяковский 1, Т. С. Титова 1
1 Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
2 ОАО «Российские железные дороги», Российская Федерация, 184209, Апатиты, Промышленная ул., 1
Для цитирования: Попадюк А. Ю., Коровяковский Е. К., Титова Т. С. Экологические аспекты технологии распределенного реестра на примере алгоритма консенсуса Ргоо^о^'МОгк // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2020. - Т. 17. - Вып. 1. - С. 136-143. Б01: 10.20295/1815-588Х-2020-1-136-143
Аннотация
Цель: Изучение влияния алгоритма консенсуса Ргоо^о^^Огк, используемого в технологии распределенного реестра, на мировую экологическую систему. Определение причин возникновения негативных факторов и предложение рациональных путей решения существующих проблем. Методы: Выполнен первичный сбор среднегодовых значений потребления электроэнергии в различных странах мира и показателей загрязнения электронными отходами. Произведены обработка полученной информации и сравнительный анализ обработанных данных. Результаты: Определены и графически иллюстрированы повышенное электропотребление, возникающее в результате выполнения компьютерными устройствами сложнейших математических вычислений, а также образование электронных отходов, создаваемых вследствие применения узкоспециализированного оборудования в процессе подтверждения транзакций. В качестве альтернативы рассмотрен более энергоемкий алгоритм консенсуса Proof-of-Stake, используемый в блокчейне ЕШегеиш. Проведен статистический анализ потребления электроэнергии технической платформой, применяющей алгоритм консенсуса Proof-of-Stake, в результате которого продемонстрированы положительные экологические аспекты в рамках технической системы распределенного реестра данных. Практическая значимость: С целью снижения экологических загрязнений, возникающих в результате внутренних процессов технологии распределенного реестра, предложен альтернативный алгоритм консенсуса Proof-of-Stake, не требующий использования специализированных компьютерных устройств для подтверждения транзакций, что способствует уменьшению количества потребляемой электроэнергии и создаваемых электронных отходов.
Ключевые слова: Экология, децентрализация, блокчейн, консенсус, Ргоо^о^^Ьгк, Ргоо^о£ Stake, загрязнение, распределенный реестр, электронные отходы, электропотребление, биткоин, эфириум.
В настоящее время широко освещаются вопросы мировой экологии [1-4]. Правительства многих стран вынуждены проводить мероприятия, направленные на защиту и охрану окру-
жающей среды, в связи с наличием большого количества производственных факторов, оказывающих негативное воздействие на экосистему нашей планеты. Существенное влияние на
мировую экологическую обстановку оказывает технология распределенного хранения и передачи данных, называемая блокчейном [5]. Для обеспечения высокого уровня защищенности системы блокчейны используют алгоритмы консенсуса, позволяющие достигать единого решения среди всех участников сети. Существует множество алгоритмов, успешно применяющихся в различных типах распределенных сетей, однако наибольшую популярность получил консенсус Ргоо^о^^Огк [6]. Его ключевым достоинством является обеспечение повышенного уровня безопасности системы, который достигается за счет выполнения сложнейших математических алгоритмов [7]. Подобная структура действительно обладает высокой надежностью, но платой за использование консенсуса Ргоо^ о^^Огк выступает повышенное потребление электроэнергии.
Согласно отчету платформы «Digicono-то?/», среднегодовое энергопотребление, возникающее в результате майнинга, составляет 73,17 ТВт-ч в год (рис. 1), что сопоставимо с
годовым потреблением электроэнергии всей Австрии [8].
На основании данных статистического ежегодника мировой энергетики 2019 г. можно графически изобразить годовую долю электропотребления блокчейна Биткоин относительно общего потребления электричества различными странами мира [9]. Из выборки, представленной на рис. 2, становится понятно, что количество электроэнергии, расходуемое в процессе май-нинга, превышает совокупное годовое электропотребление таких стран как Австрия, Румыния, Узбекистан и др.
Помимо повышенного электропотребления, блокчейн Биткоин приводит к значительному количеству электронных отходов. Под электронными понимаются отходы, содержащие выброшенные электронные и прочие электрические устройства, а также их части [10]. Проблема электронных отходов возникает по причине применения специального оборудования, необходимого для майнинга [11]. Подобное оборудование имеет строгую специа-
Рис. 1. Графическое изображение индекса энергопотребления блокчейна Биткоин
в 2017-2020 гг.
Рис. 2. Сравнение среднегодового электропотребления в различных странах
и блокчейна Биткоин в 2018 г.
лизацию и не может использоваться в иных целях. В результате «гонки вооружений», присущей алгоритму Ргоо^о^'МОгк, устройства, применяемые для майнинга, устаревают в среднем каждые 1,5 года [12]. Таким образом, среднегодовое значение электронных отходов на начало 2020 г. составляет 11,065 кТ в год (рис. 3).
Следует обратить внимание на низкую экологическую эффективность алгоритма Ргоо£-
of-Work в сравнении с другими источниками загрязнения. Так, количество электронных отходов, создаваемых одной транзакцией в блок-чейне Биткоин, более чем в 2 раза выше, чем возникающих в результате 10 000 транзакций в платежной системе VISA (рис. 4).
Таким образом, конечным результатом использования алгоритма Proof-of-Work является масштабное экологическое загрязнение, появляющееся в результате повышенного потребления
14
I ю £
с а
8
е
S з S о
е- ГГ-. rfl TT Ti
LT1 Ui"'l Li-1 Û 'J t~- N Ù Ù —1 Г-J ГТ*| iT*l rf Tf C Lfl Ul ifl Й Й Ö1 Ç- fc Ь i—Ii—Ii—I
.—i .—I .—I -4 -|H НННГ^ППНПЛ] NNIMrjrJrJl^l^l^^ ГГ. 1ТЬ ГГ. ГТ1 ft fil
] МШШшШш
I il il il и il и и la h и il
. j. m. u. j j- - о h în
I и и и
4
№ J О N
J" J 1—1 1—1
5 е ец ее &ё е з е ё з г з ё ё ё ; ё б ё ё ёё ё г | е § г ё
Г-. г.. г: Г. П ги 1М П ги М N Г -. Г^ Г-. N N
В-ре-иечной промежуток, гг.
Рис. 3. Изменение среднегодовых произведенных электронных отходов при использовании
алгоритма Ргоо^о^^Ьгк в 2017-2020 гг.
с-
I
р.
Ь
г
3
£
X
1 Я
12Ü ИВ
so 60 40
го
о
1 трдтд км.ид Рлткпнн 10\ХХ) гпмп,чк:1.ии VI 1 ^лтлпр^н'я 1 плмгк^ид Нп
Рис. 4. Количество электронных отходов при различных видах загрязнений
электроэнергии и образования электронных отходов, оставляющих свой след в существующей экосистеме. На рис. 5 представлены экологические аспекты применения алгоритма консенсуса Ргоо^о^^Ьгк как в рамках одной транзакции, так и в границах среднегодовых значений.
По результатам проведенного анализа можно сделать вывод об экологической несостоятельности блокчейнов, использующих алгоритм Ргоо^о^^Ьгк. В качестве альтернативы консенсусу Ргоо^о^^Ьгк следует обратить внимание на алгоритм Ргоо£о^81аке, ключевое достоинство которого - отсутствие необходимости
Р ч iimjra-пчвгалте пск-иедс-гвет сдний т^ттаил^тш при iTr-^Mfiit^ пнканеуеа E4oof-öf-Wflit L_ - - —1
Г Л 303,15 кГ СО: г п 1 F 1
1 кЕгч граммов
t j к j
[ Угаврвдщш слвд Г й
Элнпрсоывргнл Эпшршаы« отходы
4
o^iiELi ipejH?rtiu>Bne эилятескне последствия щн алгоритме мяяшуса 5M)of-of-Wor-k
™ч 34.15 МтСО; 7^.1? ТВт-ч Н г 1 ILM кТ k J
1 Углязещтый СЛеУ J Г '.^лектрсэнерпм Э,"КЕ1риииие отходы
Рис. 5. Экологические последствия использования алгоритма Ргоо^о^^Ьгк
в применении большого количества компьютерных мощностей, потребляющих электроэнергию. Процесс принятия решения в такой системе называется «форджинг» или «минтинг» и выполняется посредством операций с криптова-лютами, не привлекая аппаратную составляющую. Наиболее известным блокчейном, использующим алгоритм Ргоо^о^81аке, является ЕШегеит. Согласно отчету «Digiconomist», среднегодовое значение энергопотребления, возникающего в результате «форджинга», составляет 7,65 ТВтч в год (рис. 6), что практически на 90 % меньше, чем при алгоритме консенсуса Ргоо^о^^Огк [8]. Таким образом, среднегодовое электропотребление сети ЕШе-геит можно сопоставить с потреблением таких стран как Боливия, Люксембург, Зимбабве и др. (рис. 7).
При использовании алгоритма консенсуса Ргоо^о^81аке экологические издержки, связанные с электронными отходами, значительно снижаются в связи с отсутствием необходимости в наличии специального компьютерного оборудования, применяемого в алгоритме Ргоо^о^^Ъгк для подтверждения транзакций.
Для процесса консенсуса в алгоритме Ргоо^о^-81аке достаточно обладать одним компьютером, не имеющим строгой специализации, что оказывает позитивное влияние на экологическую ситуацию в целом [13].
Подводя итоги, следует обратить внимание, что проведенное исследование позволяет взглянуть на технологию распределенного реестра с точки зрения экологических аспектов технических систем. Обоснована экологическая несостоятельность алгоритма консенсуса Ргоо^о^-^Ъгк, заключающаяся в указании существующих проблем, среди которых можно выделить повышенное электропотребление компьютерными мощностями в процессе подтверждения транзакций и создание электронных отходов, негативно влияющих на мировую экологическую ситуацию в целом. Поэтому предлагается переход на более «энергоемкий» алгоритм консенсуса Ргоо^о^81аке, для которого не требуется большое количество специализированных аппаратных устройств, вызывающих экологическое загрязнение. В результате перехода на альтернативный алгоритм консенсуса ожидается снижение финансовых издержек, связанных
Рис. 6. Изменение индекса электропотребления блокчейна при использовании алгоритма Pгoof-of-Stake в 2017-2020 гг.
у
H
ID
V5
^ У
Рис. 7. Сравнение среднегодового электропотребления в различных странах и блокчейна Ethereum в 2018 г.
с оплатой электроэнергии, и улучшение экологической ситуации не только в России, но и во всем мире.
Библиографический список
1. Национальный проект «Экология». - URL : https://strategy24.rn/ri7ecology/projects/natsionalnyy-proyekt-ekologiya (дата обращения : 22.01.2020 г.).
2. Комовкина Н. С. Определение ущерба от воздействия железнодорожных припортовых станций на земельные ресурсы / Н. С. Комовкина // Международные науч.-исслед. журн. - 2013. - С. 50-52.
3. Заболоцкая К. А. Автоматизация учета «зеленого» аспекта в работе грузового терминала / К. А. Заболоцкая, О. Д. Покровская // Цифровизация транспорта и образования. - 2019. - С. 346-350.
4. Пронин А. П. Влияние железнодорожного транспорта на окружающую природную среду / А. П. Пронин // Автоматика на транспорте. - 2016. - Т. 2. - № 4. -С. 610-623.
5. Финанс.-эконом. журн. Forbes. - URL : https:// www.forbes.ru/tehnologii/366885bitkoin-na-ugle-
kak-kriptovalyuty-gubyat-planetu (дата обращения : 22.01.2020 г.).
6. Попадюк А. Ю. Технические аспекты публичной распределенной сети на примере блокчейна Бит-шин / А. Ю. Попадюк, Е. К. Коровяковский // Russian Journal of Logistics & Transport Management. - 2019. -P. 126-133.
7. Дрешер Д. Основы блокчейна : вводный курс для начинающих в 25 небольших главах ; пер. с англ. А. В. Снастина. - М. : ДМК Пресс, 2018. - 312 с.
8. Офиц. сайт проекта «Digiconomist». - URL : https://digiconomist.net/bitcoinenergy-consumption (дата обращения : 22.01.2020 г.).
9. Стат. ежегодник мировой энергетики. - 2019. -URL : https://yearbook.enerdata.ru/electricity/electricity-domestic-consumption-data.html (дата обращения : 22.01.2020 г.).
10. Офиц. сайт сервиса для поиска по базе словарей. - URL : https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/ 1685975 (дата обращения : 22.01.2020 г.).
11. White Paper BitFury Group «Public versus Private Blockchains». - URL : https://bitfury.com/con-tent/downloads/public-vs-private-pt1-1.pdf (дата обращения : 22.01.2020 г.).
12. Офиц. сайт проекта «Digiconomist». - URL : https://digiconomist.net/ethereumenergy-consumption (дата обращения : 22.01.2020 г.).
13. White Paper Bitfury Group «Proof-of-Stake vs. Proof-of-Work». - URL : https://bits.media/images/news/ 290915/PoS%20vs%20PoW%201.0-ru.pdf (дата обращения : 22.01.2020 г.).
Дата поступления: 31.01.2020 Решение о публикации: 11.02.2020
Контактная информация:
ПОПАДЮК Антон Юрьевич - аспирант; апШпрорадуик1997@уапдех.ги КОРОВЯКОВСКИЙ Евгений Константинович - канд. техн. наук, доцент; екогеку@таИ.ги
ТИТОВА Тамила Семеновна - д-р техн. наук, профессор, первый проректор -проректор по научной работе; titova@pgups.гu
Environmental aspects of blockchain technology illustrated through the example of the Proof-of-Work consensus algorithm
A. Yu. Popadyuk 12, E. K. Korovyakovskiy 1, T. S. Titova 1
1 Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
2 Russian Railroads OJSC, 1, Promyshlennaya ul., Apatity, 184209, Russian Federation
For citation: Popadyuk A. Yu., Korovyakovskiy E. K., Titova T. S. Environmental aspects of blockchain technology illustrated through the example of the Proof-of-Work consensus algorithm. Proceedings of Petersburg Transport University, 2020, vol. 17, iss. 1, pp. 136-143 (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2020-1-136-143
Summary
Objective: Studying the influence of the Proof-of-Work consensus algorithm used in blockchain technology on the global environmental system. Determining the causes of threats and suggesting rational solutions to existing problems. Methods: Initial collection of average annual power consumption values in various countries around the world and electronic waste pollution data has been carried out. The received information has been processed and a comparative analysis of the processed data has been performed. Results: The increased power consumption resulting from the complex mathematical calculations performed by computing devices, as well as the generation of electronic waste by the use of highly specialized equipment in the process of transaction confirmation, have been identified and graphically illustrated. As an alternative, the more energy-intensive Proof-of-Stake consensus algorithm used in the Ethereum blockchain has been considered. A statistical analysis of power consumption by a technical platform using the Proof-of-Stake consensus algorithm has been carried out with positive environmental aspects demonstrated within the blockchain engineering system. Practical importance: To reduce environmental pollution resulting from the blockchain technology internal processes, an alternative Proof-of-Stake consensus algorithm is proposed that does not require specialized computer devices to confirm transactions, which provides for reduction of the amount of electricity consumed and electronic waste generated.
Keywords: Ecology, decentralization, blockchain, consensus, Proof-of-Work, Proof-of-Stake, pollution, distributed ledger, electronic waste, power consumption, Bitcoin, Ethereum.
References
1. National project "Ecology".Available at: https:// strategy24.ru/rf/ecology/projects/natsional-nyy-proyekt-ekologiya (accessed: 22.01.2020). (In Russian)
2. Komovkina N. S. Opredeleniye ushcherba ot voz-deystviya zheleznodorozhnykh priportovykh stantsiy na zemel'nyye resursy [Determination of damage from railway port stations on land resources]. Mezhdunarodnyye nauch.-issled. zhurnaly [Internationalscientific research journals], 2013, pp. 50-52. (In Russian)
3. Zabolotskaya K. A. & Pokrovskaya O. D. Avtoma-tizatsiya ucheta "zelenogo" aspekta v rabote gruzovo-go terminala [Automation of accounting for the "green" aspect in the cargo terminal operation]. Tsifrovizatsiya transporta i obrazovaniya [Digitalization of Transport and Education], 2019, pp. 346-350. (In Russian)
4. Pronin A. P. Vliyaniye zheleznodorozhnogo transporta na okruzhayushchuyu prirodnuyu sredu [Impact of railway transport on the environment]. Avtomatika na transporte [Automatic Equipment in Transport], 2016, vol. 2, no. 4, pp. 610-623. (In Russian)
5. Forbesfinancial and economic magazine. Available at: https://www.forbes.ru/tehnologii/366885bitkoin-na-ugle-kak-kriptovalyuty-gubyat-planetu (accessed: 22.01.2020). (In Russian)
6. Popadyuk A. Yu. & Korovyakovskiy E. K. Tekh-nicheskiye aspekty publichnoy raspredelennoy seti na primere blokcheyna Bitkoin [Technical aspects of a public distributed network with the Bitcoin blockchain as an example]. Russian Journal of Logistics & Transport Management, 2019, pp. 126-133. (In Russian)
7. Dresher D. Blockchain basics. A non-technical introduction in 25 steps. Translated from English by A. V. Snastin. Moscow, DMK Press Publ., 2018, 312 p. (In Russian)
8. "Digiconomist" official website. Available at: https://digiconomist.net/bitcoin-energy-consumption (accessed: 22.01.2020). (In Russian)
9. Statisticheskiy ezhegodnik mirovoy energetiki [Statistical Yearbook of World Power Industry]. Available at: https://yearbook.enerdata.ru/electricity/electricity-do-mestic-consumption-data.html (accessed: 22.01.2020). (In Russian)
10. The official website of the dictionary database searching service. Available at: https://dic.academic. ru/dic.nsf/ruwiki/1685975 (accessed: 22.01.2020). (In Russian)
11. White Paper BitFury Group "Public versus Private Blockchains". Available at: https://bitfury.com/con-tent/downloads/public-vs-private-pt1-1.pdf (accessed: 22.01.2020).
12. "Digiconomist" official website. Available at: https://digiconomist.net/ethereumenergy-consump-tion (accessed: 22.01.2020).
13. White Paper Bifury Group "Proof-of-Stake vs. Proof-of-Work". Available at: https://bits.media/images/news/ 290915/PoS %20vs %20PoW %201.0-ru.pdf (accessed: 22.01.2020).
Received: January 31, 2020 Accepted: February 11, 2020
Author's information:
Anton Yu. POPADYUK - Postgraduate Student;
antonpopadyuk1997@yandex.ru
Evgeny K. KOROVYAKOVSKIY -
PhD in Engineering, Associate Professor;
ekorsky@mail.ru
Tamila S. TITOVA - D. Sci. in Engineering, Professor, First Vice-rector, Vice-rector for Research; titova@pgups.ru
