区块链技术能源消耗与智能合约：分布式、并行和集群计算的研究（2021IMTA0280）

了解区块链技术的能源消耗：关注智能合约迪米特里·赛因格雷引用此版本：迪米特里·赛因格雷了解区块链技术的能源消耗：重点关注智能合约。分布式、并行和集群计算。国立高等矿业学校-智利电信，2021年。英语NNT：2021IMTA0280。电话：03546651HAL Id：tel-03546651https://theses.hal.science/tel-035466512022年1月28日提交HAL是一个多学科的开放获取档案馆，用于存放和传播科学研究文件，无论它们是否已这些文件可能来自法国或国外的教学和研究机构，或来自公共或私人研究中心。L’archive ouverte pluridisciplinaireT HASHASEDEDOCTORAT DEL’ÉCOLE NATIONALE大西洋矿业电信公司BRETAGNE PAYS-DE-LA-LOIRE - IMT ATLANTIQUE公司简介 D八角NO601信息与通信专业的数学与科学与技术Par迪米特里·SAINGRE了解区块链技术的能源消耗：关注智能合约Thèse présentée et soutenue à Nantes，le 13 Décembre 2021Unité de recherche：Universatoire des Sciences du Numérique de Nantes（LS2N）论文编号：2021IMTA0280报告员准备：Maria POTOP-BUTUCARU BURSEUR（HDR），SorbonneUniversité Romain ROUVOY BURSEUR（HDR），Université deLille评审团组成：主席：Jean-Marc PIERSON图卢兹大学人类发展研究所审查员：玛丽亚·波托普-布图卡鲁罗曼·鲁瓦Sorbonne UniversityUniversité de LilleDir. de thèse：Anthony SIMONET-BOULOGNE科学项目负责人，IExecJean-Marc MENAUD Mesquerseur（HDR），IMT共同导演。dethèse：托马斯·勒杜血管造影（HDR），IMT血管造影紧急情况3在这个部门，我会感谢三年来一直陪伴我的人我非常感谢Jean-Marc Menaud et M.托马斯·勒杜想给我一个获得博士学位的机会三年来，我在人事专业计划方面做了大量工作。我们的意见和建议不允许我进行科学研究，也不允许我撤回在该地区堕胎的建议。我也感谢玛丽亚·波托普-布图卡鲁女士。Romain Roughnut，M.安东尼·西蒙内-布洛涅和M.让·马克·皮尔森我想了解所有与财富有关的问题和建议，以及财富变化的渠道J’adresse我很感激我的家人和朋友，因为他们一直在等着我谢谢爸爸妈妈和杰瑞米。谢谢你给露西打电话让她好好听着你也是我的专家，我对你说话时的语气很好我爱我的心谢谢你和你的一切。A抽象5区块链是分布式账本，在点对点网络中存储信息这项技术于2008年与比特币一起推出。自比特币网络推出以来，区块链生态系统在参与者和复杂性方面都有所增长。在过去的十年中，已经创建了许多区块链项目，每个项目都有自己的技术特征。 区块链现在被用于云计算、能源网或供应链等多个领域。随着关于气候变化管理的辩论的兴起，信息和通信技术（ICT）部门的快速增长引发了许多伦理问题。事实上，2020年，欧盟委员会估计，2010年至2018年期间，欧洲数据中心的能源消耗将增加42%与此同时，区块链因其能源消耗而受到高度批评。事实上，许多区块链（包括比特币）使用一种高度计算密集型的共识算法，称为工作量证明。工作量证明的高能源成本已经得到了很好的研究和建立。在这篇论文中，我们打算研究区块链的另一个方面：智能合约。智能合约是在区块链上部署和执行的脚本。它们支持去中心化应用程序的开发。 基于对交易历史的分析和对真实硬件的实验，我们有助于理解以太坊区块链上智能合约的能源成本。首先，我们提出了一个新的框架来部署和分析区块链的性能和足迹。许多现有的工具缺乏区块链性能的关键功能（例如，部署、网络仿真。. . ）的。基于这个框架，我们开发了一个模型来估计以太坊智能合约的能耗我们将该模型与一年的以太坊交易历史相结合，对基于区块链的应用程序的能耗进行了粗略估计最后，我们提出了一种新的协议来识别和删除未使用的以太坊智能合约。我们的研究强调，大多数部署的合同几乎没有用处。 由于合约是永久可用的，我们已经证明了未使用的合约会影响每个以太坊节点的性能。 我们的解决方案挑战了智能合约的“不朽”方面，以提供“更轻”的区块链。雷苏姆6区块的chaubernessont des registres distribués permettant le storkage该网络的成员可以拥有一份该登记册的副本。变更登记可以通过网络上的交易信息进行。这些交易也是由许多被称为集团的成员通过被称为未成年人或有效人的成员进行的。Un lienentre chaque bloc validé et son précédent，garantis同时，一个“chausanne”是形式这些集团的chaubernes sont souvent consideredérées comme fundations pour le dépementd'applications dites décentralisées。随着比特币网络的发展，研究和发展的活动越来越多，这使得比特币成为一个生态系统这些块的chaubernes sont maintenant étudiées etutilisées dans domaines métiers variés，tels que la finance，. . 在这些秘密行动中，登记册的位置通过集团公司的业务分布，促进不同行动者之间的合作（潜在的恶意）、程序的自动化（通过知识产权合同的业务）、捐赠者的安全和保密加密货币的发展（加上金融分散化）表明，在没有银行信任等级的情况下，金融价值有可能在世界范围内转移。此外，简单的原型，基于集团特征的应用程序似乎在我们的经济中占有一席之地加密货币的资本家们今天已经超过了20亿欧元，（资料来源：https://coinmarketcap.com）。随着对气候变化管理问题的辩论不断深入，信息和通信技术部门迅速认识到了一些关键问题实际上，到2020年，欧洲委员会估计，2010年至2018年，欧洲能源中心的能源消费量将增加42%区块链技术必须面对与TIC相关的问题实际上，比特币7Requièrent在新集团的提议者的权力范围内，工作压力取决于一项竞争，即所谓的小规模竞争，涉及到网络的不同成员。在2014年，其次，研究确认的编号必须确认Minage的重要能源概念但在提出新的集团宪章时，新的共识算法（如优先考虑的）必须合并在集团化的国家中，提出了无小规模共识的算法，试图建立一个共同体，以实现贸易的优先权AtitreIl ne faudrait cependant pas réduire la consommation énergétique des chausnes deblocsà celle de consensus algorithme de consensus.事实上，知识产权合同的合并，以及关于集团公司的完整方案的拟订和执行，使技术变得更加复杂如果新的使用方式可能产生知识产权方面的合同，那么这些合同将不会被视为集团公司的能源战略根据集团成员国共识阶段的消费情况，智能异常比例的能源协定非常重要我们认为这是我们必须关注这些方面的原因贡献这一点有助于研究和起草关于集团公司平台的智能合同实际上，这一问题一直是能源问题和集团结构问题研究的重要内容。为此，我们将集中精力在以太坊公共区块的平台上进行工作，这是一个主要的平台，提出了一个智能合约系统。这是关于三个核心问题的文章智能合约--在集团公司网络中有重要地位吗？我们还清楚地知道，学术界和工业界关于知识产权公约的活动似乎在很大程度上促进了对知识产权的采用8在不同领域中，学术研究工作可能会更有效。能否评估和修改这些合同的能源成本？Mieuxcomprendre le coefficient éenergétiqueengendré par应用逻辑的执行成本不仅是一种偏差，而且是一种比例，更是一种重要的偏差Principe ， What el est le coffee engendré par l'immutilité des contratsdéployés，principe 以区块链技术为核心？这些公共集团领导人的平台允许新知识产权合同的实施。一个人的职业生涯，他的生活是不可或缺的。他提出了这个财产的概念问题。为了使所有合同的执行都能影响到集团公司的网络，对网络成员来说，需要一个巨大的储存空间Par le biais在5000年网格研究平台上，我们提出了对三项贡献所涉问题的答复— Un nouveau cadriciel pourCe cadriciel répond aux défis du déploiement et dutest des blockchains dans un contexte exérimental. Construit à partir decomposants open-source，BCTMark aborde les phages de gestion des resourcesde déplointment，de montée en charge du système évalué et de sauvegarde desrésultats. Ce nouveau cadriciel permet alors une gestion complète du cycle de viedes experiences portant sur les performance des chausanne de bloc ， enintégrant des capacités d'émulation du réseau（latence，perte de pakets. . . ）的。Les capacités de BCTMark ont été illustréespar le biais de déploiementseffectués sur deux platformes de recherche （ Grid5000 et un cluster local deRaspberry Pi）et sur trois chauspnes de blocs（Ethereum Clique，EthereumEthash，Hyperledger Fabric）.这一工作在Compas和AICCSA会议上以及在《集群计算》杂志上发表。— Une analysis de基于以太坊交易的一年，我们分析了智能合约对交易的重要性此外，我们还简要介绍了知识产权合同的名称、新合同的开发以及合同的复杂性我们建议使用一种能估计能源消耗的模式9与以太坊的天然气消费基金会达成协议。该模型结合了以太坊交易的历史，我们可以通过执行智能合约来估计能源消耗Une partie de ce travail a été présentéedans le journalCluster Computing.- Un nouveau protocole whi peut être utilisé pour réduire le nombre在以太坊中的无效合约。就像我们在这片土地上的montrons一样，以太坊合约的一部分并没有被使用。我们认为，合同的名称对新电网的性能产生了影响，从而增加了新电网的交易时间。为了解决这一问题，我们提议一项议定书，以鼓励未成年人查明身份，并解除无用的合同。该协议将在一段时间内生效。在生活中，这种新的相互作用与合同的增加，使合同不再有效在交易历史的基础上，这项工作在ISCC会议上进行，并通过“最佳学生文章”奖获得报酬。10没能附件1一、导言. 171.1动机171.2捐款. 181.3出版物201.4论文综述202背景. 232.1质疑区块链技术232.1.1信息和通信技术的能源消耗2.1.2区块链技术的发展252.1.3为什么要研究区块链的能源足迹？........................................................... 292.2区块链292.2.1区块链技术概述302.2.2关于以太坊数据存储的说明2.2.3链叉选择342.2.4公共和私有区块链352.2.5区块链共识算法352.2.6使用智能合约的382.3结论443技术水平453.1关于区块链技术能耗的文献综述。453.1.1工作量证明采矿的能源足迹3.1.2采矿的替代办法3.2评估区块链系统523.3分析智能合约3.4区块链上的数据抑制553.5结论5511目录4区块链技术基准测试的新框架574.1一、导言. 584.2对最新技术4.3BCTMark -技术架构使用614.3.1用法624.3.2架构644.4验证实验664.4.1在两个不同的测试平台上部署区块链674.4.2三个区块链系统的CPU使用率比较684.4.3实验再现704.4.4智能合约的性能分析4.5结论735了解以太坊智能合约的使用和能耗755.1一、导言. 765.2了解以太坊智能合约的当前使用情况775.2.1数据提取协议785.2.2智能合约调用以太坊流量795.2.3以太坊智能合约的天然气消耗805.2.4新的智能合约部署835.2.5量化未使用的智能合约数量845.3测量和建模以太坊智能合约的能耗875.3.1智能合约在非工作量证明系统上的足迹875.3.2从天然气消耗量885.3.3以太坊智能合约执行模型915.3.4复制对智能合约执行成本的影响935.3.5限制.945.4结论.956减少以太坊97中未使用的智能合约数量6.1一、导言. 986.2未使用的智能合约对以太坊99的影响6.2.1评价方案99目录6.2.2未使用的智能合约对合约调用处理的影响12时间1006.2.3当前以太坊状态大小1026.3智能合约的生存时间协议1026.3.1概览. 1026.3.2细节1036.3.3合同销毁和数据检索1056.3.4105参数取值的探讨6.3.5讨论1066.3.6协议影响取决于TTL持续时间1066.4结论1077结论1097.1成就1097.2观点1117.2.1第二层解决方案对区块链足迹的影响7.2.2智能合约的能耗建模1127.2.3使用临时数据设计区块链113参考书目115L IST F IGURES132.1欧洲数据中心消耗的能源（数据来源：[71]）242.22019年ICT行业的碳足迹-生产和使用之间的细分（数据来源：[97]）252.3数据库、分布式账本技术和区块链之间的层次结构2.4以太坊每日交易数量的演变（来源：etherscan）。（io）282.5经典区块链“数据结构”的示意图302.6在块32中使用Merkel树来存储事务2.7以太坊2.8链分割管理342.9如何工作362.10 以太坊挖矿难度的演变372.11 以太坊合约3.1比特币难度随时间的演变（数据来源：https：//www. blockchain.com）473.2Tasca等人对每笔交易的能耗进行了估计 [105]第五十二章4.1BCTMark62的实验流程4.2BCTMarkarchitecture644.3不同负载的功率使用比较684.4不同负载的CPU使用率比较694.5Ethash200 Txs704.6三个智能合约的天然气成本取决于提供的输入725.1随着时间的推移调用智能合约795.2智能合约随时间的调用，按类型805.3每笔交易的配气用量（对数标度）815.4每个智能合约调用的配送天然气使用量（对数标度）825.5年内天然气价格和处理的交易数量的演变8314图目录5.6一段时间内订立的合同数目845.7每个智能合约的调用次数分布-最低90次855.8每个智能合约的调用次数分布-最高10%-对数标度865.9按数量分列的有效合同百分比的变化（仅当年部署的865.10 在以太坊上执行和不执行合同的情况下比较电力使用PoW885.11 在以太坊上执行和不执行合同的情况下比较电力使用PoS895.12 快速排序-气体消耗和平均功率取决于数组大小输入905.13 功率取决于燃气消耗量915.14 智能合约调用复制对以太坊网络能源使用的影响5.15 ethernodes.org列出的以太坊节点数量的演变，2020年 10月至2021年6月（来源：ethernodes.org）935.16 智能合约调用所消耗的全球能源取决于数量网络95中的节点6.1取决于TE值的合同数量的107L IST关于TABLES152.1以太坊块中包括的字段的示例312.2不同区块链智能合约平台之间的比较（来源：[49]，[121]，[94]）。. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .402.3来自以太坊黄皮书的Gas成本定义示例44]433.1文献中比特币网络能耗的估算473.2不同挖矿硬件之间的能效差异（数据来源：https://en.bitcoin.it/wiki/Mining_hardware_comparison）.............................494.1与现有技术的功能比较614.2六次运行的重现性715.1ERC20和ERC721在有效合同805.2以太坊处理的智能合约和交易在过去一年的估计电力使用量926.1三个平台上的块处理时间（毫秒）与状态trie树大小的比较（括号之间的1016.2我们的方案中使用的变量的详细信息1036.3在闲置期后调用的合同数量10817C第 1一、生产内容1.1动机171.2捐款. 181.3出版物201.4论文综述.............................................................................................................201.1动机区块链是分布式账本，在点对点网络中存储信息该网络的每个成员都可以拥有该登记册的副本。该寄存器的修改可以通过在网络上传播的交易来完成然后，这些交易被称为块的批量处理，由称为矿工或验证器的成员处理。每个验证的区块与其前一个区块之间的链接保证了验证交易历史的完整性通过这个链接，形成了一条链：因此得名区块链。区块链通常被认为是开发新一代所谓的去中心化应用程序的基础。自比特币（第一个公共区块链网络）推出以来，大量的研究和开发活动导致了一个复杂的生态系统的创建区块链现在正在被研究和用于各种商业领域，例如金融、云计算、能源网、供应链等。在这些领域中，通过区块链实现分布式账本的目的是改善不同（潜在恶意）参与者之间的协作、流程自动化（通过智能合约）、数据安全性和透明度。加密货币（以及更广泛的去中心化金融）的发展说明了这一潜力，因为它可以在全球范围内转移不仅仅是原型，基于区块链的应用程序似乎在我们的世界中占有一席之地18介绍今 天 的 经 济 例 如 ， 加 密 货 币 现 在 价 值 超 过 2 万 亿 欧 元 （ 来 源 ：https://coinmarketcap.com）。随着关于气候变化管理的辩论的发展，信息和通信技术（信通技术）部门的迅速发展提出了许多伦理问题。事实上，2020年，欧盟委员会估计，2010年至2018年期间，欧洲数据中心的能源消耗将增加42%。区块链技术远不是对ICT环境成本的担忧的例外。事实上，像比特币这样的区块链需要使用昂贵的计算资源作为其共识算法的一部分：工作量证明。工作量证明依赖于网络不同成员之间的竞争，称为挖矿，以提出新的区块。2014年为了设计成本更低、效率更高的新区块链，出现了新的共识算法（如权益证明）这些新的共识算法的能耗通常比PoW挖掘低几个数量级[105]。然而，我们事实上，智能合约的出现，通过提出在区块链上部署和执行完整的程序，使这些技术变得更加复杂。虽然这些智能合约使许多新的用例成为可能，但它们也增加了区块链的能源足迹。随着区块链共识阶段的功耗降低，我们认为研究部署应用程序本身的成本非常重要。1.2贡献本文旨在为区块链平台上智能合约成本的研究和降低做出贡献事实上，比特币挖矿的能源消耗[78，68，66，111，72]和权益证明等替代方案[105，65，14]已经得到了很好的研究。然而，智能合约本身的能源消耗却很少被研究。因此，我们将工作重点放在公共区块链平台以太坊上，这是提供智能合约系统的主要平台之一。 随着像以太坊这样的大型区块链社区将他们的共识算法从工作量证明（Proof of Work）改为非挖掘算法（以太坊的权益证明），研究构建在区块链之上的应用程序的能耗变得更加重要。本文围绕三个方面展开介绍19核心问题：智能合约在区块链网络中有多重要？ 尽管围绕智能合约的学术和工业活动似乎在各个领域都表现出了很强的应用，但很少有学术著作研究它们的实际用途。我们能估算和模拟这些合同的能源成本吗？更好地了解这些合同执行所产生的能源成本似乎是必要的，因为一些区块链平台逐渐从采矿和工作量证明中解放出来。运行软件应用程序的成本将相应地变得更加重要。部署合约的不变性（区块链技术的核心原则）产生的成本是多少？公共区块链平台允许任何人部署新的智能合约。一旦部署，他们可以随时待命。问题是这一财产的成本。除了对网络成员不断增长的存储空间需求外，所有已部署合同的永久可用性是否会影响区块链网络的性能和成本通过分析存储在以太坊上的交易历史和在Grid 5000研究平台上的现场实验— 一个新的区块链技术基准框架：BCT-Mark。 该框架解决了在实验环境中部署和测试区块链的挑战。BCTMark由开源组件构建，解决了区块链性能分析中的资源管理、部署基准和结果备份阶段这项工作已经在Compas和AICCSA会议和集群计算杂志上发表。— 以太坊智能合约的使用和能耗分析。基于一年的真实数据，我们分析了智能合约在以太坊流量中的重要性。更具体地说，我们提供了关于智能合约调用数量、新合约部署以及这些合约复杂性的见解。然后，我们提出了一个模型，根据以太坊合约的天然气消耗来估计其能源消耗。这项工作的一部分已经在集群计算杂志上发表。— 一种新的协议，可用于减少以太坊中未使用的合约数量。如本文所示，大部分部署的以太坊合约将导致很少或根本没有使用。我们在这里证明，