了解区块链技术的能耗：关注智能合约迪米特里·桑格雷引用此版本：迪米特里·桑格雷。了解区块链技术的能耗：关注智能合约。分布式、并行和集群计算[cs.DC]国家矿业高等学校-大西洋电信，2021年。英语。NNT：2021IMTA0280。电话：03546651HAL ID：电话：03546651https://theses.hal.science/tel-03546651提交日期：2022年HAL是一个多学科的开放存取档案馆，用于存放和传播科学研究论文，无论它们是否被公开。论文可以来自法国或国外的教学和研究机构，也可以来自公共或私人研究中心。L’archive ouverte pluridisciplinaireT Hesa德博士学位L’ÉCOLE NATIONALE大西洋矿业-电信布列塔尼卢瓦尔河地区- IMT大西洋和科尔 D八角形第601章数学与信息与通信科学与技术由迪米特里·圣格雷了解区块链技术的能耗：关注智能合约论文于2021年研究单位：南特数字科学实验室（LS2N）论文编号：2021IMTA0280答辩前的报告员：Maria Potop-Butucaru教授（HDR），索邦大学罗曼·鲁瓦教授（HDR），里尔评审团组成：主席：让-马克·皮尔森图卢兹大学教授（HDR）检查员：玛丽亚·波托普-布图卡鲁罗曼·鲁沃伊索邦大学里尔大学教授（HDR）Dir.论文：Anthony SIMONET-BOULOGNE项目负责人科学家，IEXEJean-Marc MENAUD教授（HDR），IMT大西洋共同导演。论文：托马斯·勒杜大西洋IMT教授（HDR）REMERCIENTS3在这一部分，我想感谢在这三年的博士生涯中陪伴我的人首先，我感谢让-马克·梅诺和M.感谢托马斯·勒杜给我这个机会攻读博士学位 这三年，充满了情感，给了我很多专业和个人。他们的建议和明智的评论使我能够发展我的科学头脑，并在这份手稿中所涉及的主题上后退一步。我还要感谢Maria Potop-Butucaru先生。罗曼·鲁沃伊先生安东尼·西蒙内-布洛涅和M.感谢Jean-Marc Pierson我感谢所有与手稿和答辩有关的问题和评论，这些问题和评论导致了丰富的交流J’adresse最后，我衷心感谢我的家人和朋友，他们在谢谢你爸爸妈妈和杰里米。最后，感谢你，露西，所有的支持和你现在和我一样我感谢每一个人。ABSTRACT5区块链是在点对点网络中存储信息的分布式账本这项技术于2008年与比特币一起推出。自比特币网络启动以来，区块链生态系统在参与者和复杂性方面都有所增长。在过去的十年里，已经创建了许多区块链项目，每个项目都有自己的技术特点。 区块链目前正被用于云计算、能源电网和供应链等多个领域。随着气候变化管理辩论的兴起，信息和通信技术（ICT）部门的快速增长引发了许多道德问题。2020年，欧盟委员会估计，2010年至2018年间，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严厉批评。事实上，许多区块链（包括比特币）都使用了一种高度计算密集型的共识算法，称为工作量证明。工作量证明的高能量成本已经得到了很好的研究和确立。在本文中，我们建议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。它们支持分散式应用程序的开发。 基于对交易历史的分析和对真实硬件的实验，我们正在帮助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对区块链性能至关重要的功能（例如，部署、网络仿真。... ... ）。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。我们将这个模型与一年的以太坊交易历史相结合，粗略估计了基于区块链的应用的能耗。最后，我们提出了一个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，大多数部署的合同导致使用很少或没有使用。由于合约应该永远可用，我们已经发现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。R总结6区块链是分布式账本，允许在对等网络中存储该网络的每个成员都可以拥有该注册表的副本可以通过在网络上广播的事务来修改该分类账然后，这些交易被称为矿工或验证者的成员以称为块的批处理的形式处理。每个已验证的块与其前一个块之间的链接保证了已通过这个链接，形成了一个区块链通常被认为是开发所谓去中心化应用的基础。自比特币网络推出以来，大量的研发活动导致了一个复杂生态系统的创建区块链现在正在金融、云计算、能源电网、供应链等各个业务领域进行研究和应用... ... 在这些领域中的每一个领域，通过区块链建立分布式账本都旨在改善不同参与者（可能是恶意的）之间的协作加密货币（以及更广泛的去中心化金融）的发展很好地说明了这一潜力，因为它使金融价值在全球范围内的转移成为可能，而无需通过银行等可信的第三方。不仅仅是原型，基于区块链的应用现在似乎在我们的经济中占据了真正的例如，加密货币目前的资本总额超过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（ICT）部门的快速增长提出了事实上，2020年，欧盟委员会估计，2010年至2018年间，欧洲数据中心的能耗将增长42%在人们对ICT环境成本的担忧中，区块链技术也不例外事实上，像比特币7他们需要工作量证明是基于网络的不同成员之间的竞争，称为挖掘，目的是能够提出新的块。2014年，从那时起，许多研究证实了为了提供新的、更便宜、更高效的区块链，新的共识算法（如股权证明许多提供这些无挖掘共识算法的区块链表明，这个社区的一部分正在寻求从工作量证明中解放出来例如，以太坊的第二个版本，最广泛使用的公共区块链之一，将嵌入一个基于股权证明的然而，我们不应该将区块链的能耗降低到其共识算法的能耗。事实上，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随着区块链共识阶段的消耗减少，智能合约的能源足迹也会相应地变得因此，我们认为，在这篇论文中，有必要集中研究贡献本文旨在为区块链平台上智能合约的研究和成本降低做出贡献事实上，在研究区块链的能源和环境足迹时，这个问题经常被忽视。为此，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领先平台本文智能合约在区块链网络中真的很重要吗？尽管8在许多不同的领域，很少有学术著作研究它们的实际用途。能否对这些合同的能源成本进行估算和建模？随着一些区块链平台逐渐摆脱挖掘和工作量证明，更好地理解执行这些合同的能源成本因此，运行软件应用程序的成本成部署的合同的不变性所产生的成本是多少，原则区块链技术的核心是什么？公共区块链平台允许任何人部署新的智能合约一旦部署，这些都是可用的ad vitamaeternam。这就提出了财产成本的问题除了网络成员对存储空间的需求不断增长之外，所有已部署合约的永久可用性是否会通过分析以太坊上存储的在Grid'5000研究平台上，我们建议通过三个贡献来— 区块链技术基准测试的新框架该框架解决了在实验环境中部署和测试区块链的挑战BCTMark由开源组件构建而成，涵盖了部署资源管理、扩展评估系统和保存结果的阶段。 这一新框架通过集成网络仿真功能（延迟、数据包丢失），实现了对区块链性能实验生命周期的全面管理。... ... ）。BCTMark的能力通过在两个研究平台（Grid5000和一个本地Raspberry Pi集群）和三个区块链（以太坊集团、以太坊Ethash、Hyperledger Fabric）上的部署得到了体现这项工作已经在Compas和AICCSA会议上发表，并发表在《集群计算》杂志上。— 以太坊智能合约的使用和能耗分析基于更具体地说，我们提供了智能合约调用数量然后，我们提出了一个模型，9以太坊根据其天然气消耗量进行合约交易。这个模型与以太坊交易历史相结合这项工作的一部分发表在《集群计算》杂志上。- 可用于减少数量的新协议以太坊中未使用的合约。正如我们在这份手稿中所展示的，很大一部分部署的以太坊合约将很少使用或根本不使用。在这里，我们证明了合同数量的增加通过增加接收到的每个新块的处理时间来影响网络中每个节点的性能作为这个问题的一个潜在解决方案，我们提出了一个协议，让矿工识别并销毁未使用的合同此协议为每个合同增加了一个有效期此生存期随着与合同的每次新交互而增加，允许删除将停止使用的合同根据这项工作在ISCC会议上发表，并获得了"最佳学生论文"奖。10TABLE来自C组1导言171.1动机171.2捐款181.3出版物201.4论文概述202背景232.1质疑区块链技术对环境的影响2.1.1ICT的能耗232.1.2区块链技术的发展2.1.3为什么要研究区块链的............................................................................... 292.2区块链292.2.1区块链技术概述302.2.2关于以太坊2.2.3链叉选择342.2.4公共区块链与私有区块链的352.2.5区块链共识算法352.2.6具有智能合约的382.3结论443最新技术水平453.1区块链技术能耗的文献综述。453.1.1工作量证明挖掘的能源足迹463.1.2采矿的替代方法513.2评估区块链系统3.3分析智能合约的3.4区块链上的数据删除553.5结论5511内容表4一个新的区块链技术4.1导言584.2对最新技术604.3BCTMark -技术体系结构使用614.3.1使用624.3.2建筑644.4验证实验664.4.1在两个不同的测试床上部署区块链4.4.2比较三个区块链系统的CPU使用情况4.4.3实验重现性704.4.4智能合约的性能分析714.5结论735了解以太坊智能合约的使用和能耗755.1导言765.2了解以太坊智能合约的当前用途775.2.1数据提取协议785.2.2以太坊流量中的智能合约调用795.2.3以太坊智能合约的气体消耗805.2.4新的智能合约部署835.2.5量化未使用智能合约的数量845.3以太坊智能合约能耗的测量和建模875.3.1非工作量证明系统上的智能合约足迹5.3.2从天然气消耗中得出的消耗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5.3.5限制945.4结论956减少以太坊97中未使用智能合约的数量6.1导言986.2未使用的智能合约对以太坊99的影响6.2.1方案99的评价内容表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智能合约协议的生命周期1026.3.1概述1026.3.2细节1036.3.3合同销毁和数据检索1056.3.4关于确定参数值1056.3.5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前景1117.2.1第二层解决方案对区块链足迹的影响7.2.2智能合约能耗建模1127.2.3使用临时数据设计区块链113参考文献115ISTF.伊古尔斯132.1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以太坊上每天的交易数量（来源：etherscan）。（a）282.5经典区块链"数据结构"示意图302.6使用Merkel树在块中存储事务2.7以太坊2.8链分割管理342.9PoW如何工作362.10 以太坊挖矿难度的演变372.11 以太坊合约的3.1比特币难度随时间的演变（数据来源：https：//www. blockchain.com）473.2Tasca等人对每笔交易能耗的估计 [105]524.1BCTMark62的实验工作流程4.2BCTMark体系结构644.3不同负载的功耗比较684.4比较不同负载的CPU使用情况694.5Ethash CPU使用量的演变为200 Txs704.6三个智能合约的天然气成本依赖于提供的输入725.1智能合约随时间推移的需求5.2随着时间的推移，80种类型的智能合约需求5.3每笔交易的天然气使用量分布（对数标度）815.4按智能合约呼叫分配的天然气使用量（对数标度）825.51983年天然气价格和已处理交易数量的变化14图列表5.6一段时间内创建的合同数量845.7每个智能合约的呼叫数量分布-最低90个百分位数855.8每个智能合约的呼叫数量分布-最高10%-对数标度865.9活跃合同百分比的变化取决于数量自创建以来的天数（仅在当年部署的合同）5.10 以太坊上有和没有合同执行的电力使用比较PoW885.11 以太坊上有和没有合同执行的电力使用比较PoS895.12 Quicksort -气体消耗和平均功率取决于阵列大小输入5.13 功率依赖于气体消耗915.14 智能合约调用复制对以太坊网络能耗的影响5.15 ethernodes.org上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 智能合约消耗的全球能源依赖于数字网络中的节点数956.1依赖TE值的合同数量的107IST T型台152.1以太坊区块31中包含的字段示例2.2不同区块链智能合约平台之间的比较（来源：[49][121][94]。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...402.3以太坊黄纸中的天然气成本定义示例44]433.1文献中比特币网络能耗的估计473.2不同采矿硬件之间的能效差异（数据来源：https://en.bitcoin.it/wiki/Mining_hardware_comparison）.............................494.1功能与最新技术水平的比较614.26次运行的重现性715.1活跃合同中ERC20和ERC721的比例805.2以太坊处理的智能合约和交易的估计功耗-- 超过92年6.1与三个平台上的状态排序大小相比，块处理时间（以毫秒为单位）（括号中的标准差）1016.2我们方案中使用的变量的详细信息1036.3不活动期后调用的合同数量10817C型HAPTER1一、引言内容。1.1动机171.2捐款181.3出版物201.4论文概述.............................................................................................................201.1动机区块链是在点对点网络中存储信息的分布式账本此网络的每个成员都可以拥有此注册表的副本。此注册表的更改可以通过网络上广播的事务来完成然后，这些事务由称为挖掘器或验证器的成员以称为块的批处理。每个已验证块与其前一个块之间的链接可确保已验证事务的历史完整性通过这个链接，一个链就形成了：hence这个名字就是区块链。区块链通常被认为是开发新一代去中心化应用的基础。自比特币（第一个公共区块链网络）推出以来，大量的研发活动导致了一个复杂生态系统的创建区块链目前正在各个商业领域进行研究和应用，如金融、云计算、能源电网、供应链。在这些领域中的每一个领域，通过区块链实现分布式账本都有助于改善不同（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，因为它使金融价值在全球范围内转移成为可能，而不需要银行等可信的第三方。不仅仅是原型，基于区块链的应用似乎在我们心中占有一席之地18简介今 天 的 经 济 例 如 ， 加 密 货 币 现 在 的 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（ICT）部门的快速增长提出了许多道德问题。2020年，欧盟委员会估计，2010年至2018年间，欧洲数据中心的能源消耗将增加42%。区块链技术在ICT的环境成本问题上远非例外。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。工作量证明涉及网络不同成员之间的竞争（称为挖掘），以提出新的块。2014年为了设计成本更低、效率更高的新区块链，新的共识算法（如股权证明）已经出现。这些新的共识算法的能量消耗比PoW挖掘高出十个数量级。然而，我们无法将智能合约的出现，通过在区块链上提供完整程序的部署和执行，使这些技术更加复杂。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量足迹。随着区块链共识阶段的功耗降低，我们认为研究它们自己部署的应用的成本很重要。1.2贡献本文旨在为研究和降低区块链平台上智能合约的成本事实上，比特币挖矿[78，68，66，111，72]和替代品作为股权证明[105，65，14]的能源消耗已经得到了很好的研究。然而，智能合约本身的能耗还没有得到很好的研究。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其共识算法从工作量证明（Proof of Work）转变为非挖掘算法（以太坊的股权证明），研究构建在区块链之上的应用的能耗变得越来越重要。本文围绕三个方面展开简介19中心问题：智能合约在区块链网络中有多重要？ 虽然围绕智能合约的学术和工业活动显然在各个领域都显示出强大的采用率，但很少有学术著作研究它们的实际使用情况。我们能否估算和模拟这些合同的能源成本？随着一些区块链平台逐渐将人们从挖矿和工作量证明中解放出来，更好地理解执行这些合同所消耗的能源成本似乎是必要的。运行软件应用程序的成本将相应地变得更大。区块链技术的核心原则--部署合约的不变性所产生的成本是多少？公共区块链平台让任何人都无法部署新的智能合约。一旦部署，他们就可以永远使用。问题是这处房产的价格。除了对网络成员不断增长的存储空间需求之外，所有已部署合约的持续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，我们建议通过三个贡献来回答这些— 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由开源组件构建而成，可解决区块链性能分析中的资源管理、部署基准测试和结果备份阶段这项工作已在Compas和AICCSA会议以及集群计算杂志上发表。— 以太坊智能合约的使用和能耗分析。基于一年的真实世界数据，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，我们提供了对智能合约调用数量、新合约部署以及这些合约的复杂性的见解。然后，我们提出了一个模型，根据以太坊合约的气体消耗来估计以太坊合约的能量消耗。这项工作的一部分已在集群计算杂志上发表。— 一个新的协议，可以用来减少以太坊中未使用的合同数量。正如这份手稿所显示的，很大一部分已部署的以太坊合约将导致很少或根本没有使用。我们在此演示
