Electricity Consumption of a Distributed Consensus Algorithm

Abstract

The colossal electricity consumption of proof-of-work cryptocurrencies such as Bitcoin and Ethereum has caused critical examination of how consensus in blockchain-solutions is designed. Stellar is a decentralized, open-membership payment network built on blockchain technology, with the goal of enabling money to flow between banks, businesses and people across the global financial infrastructure, while minimizing latency and transaction fees. This study seeks to obtain a generalized estimate of the electricity consumption of the Stellar network, leading up with theory on the protocol's consensus algorithm employing federated voting in quorum systems. By dividing the electricity consumption of a single node into four core primitives and applying measurements on a basic validator node, an electricity consumption estimate for running a validator node is constructed. This is then extrapolated to the entire network to obtain a generalized estimate of the electricity required for a single transaction: 0.222 Wh, which turns out to be less than that of Bitcoin by a factor of 10^7, and similar to that of VISA. The results are followed by a discussion on the validity of said estimate, and areas of improvements for the method used, before concluding that by decoupling high electricity consumption from decentralized trust, Stellar provides a blockchain implementation that is not limited by electricity consumption to become an integral part of the global financial infrastructure.

Popular Abstract (Swedish)

I takt med ökad efterfrågan av digitala tjänster har IT-sektorn växt fram som en ny energiintensiv industri. Ett område där digitaliseringen fått fotfäste är inom finansiell teknologi, där digitala valutor och betalningsnätverk erbjuder stora möjligheter. Precis som internet har möjliggjort för datorer över hela världen att kommunicera på en gemensam plattform, vill det amerikanska företaget Stellar med sitt blockkedjebaserade betalningsnätverk utgöra grunden för framtidens globala finansiella infrastruktur. Frågan är bara hur mycket elektricitet det drar?

Digitaliseringen av finanssektorn pågår för fullt. Det höga antalet centralstyrda valutor har på senare tid kompletterats av en uppsjö digitala valutor så som Bitcoin och Ethereum, samtidigt som digitala betalningssystem som Swish, Venmo och AliPay har ökat i popularitet. Men än så länge krävs komplexa avtal med varje betalningssystem och bank, vilket gör det svårt och dyrt för nya tjänster att få fotfäste. Betalningssystemen implementerar även oftast egna protokoll, något som hämmar kommunikation mellan plattformar. Detta gör det långsamt, dyrt och komplicerat att flytta pengar mellan system, banker och nationsgränser.

Stellar har som mål att göra för vår finansiella infrastruktur vad internet gjorde för datorer. Genom deras betalningsnätverk vill Stellar möjliggöra snabba, billiga, och tillförlitliga transaktioner, så att pengar kan flyttas fritt mellan banker, företag och privatpersoner över hela världen. Stellars lösning bygger på blockkedjeteknologi, precis som den numera kända kryptovalutan Bitcoin. Det är tack vare teknologi som Stellar skapar en öppen plattform där en mångfald av aktörer tillsammans kan bygga upp ett tillförlitligt och säkert system utan central styrning.

Men blockkedjeteknologi har på senare tid uppmärksammats av en särskild anledning: deras elförbrukning. I maj 2021 passerade Bitcoin-nätverkets uppskattade årliga energiförbrukning den av Sverige. Kryptovalutor utmärker sig i en IT-sektor som i sin helhet växer så att det knakar, och där elförbrukning hittills precis lyckats hållas i schack av effektiviseringar. En del forskare varnar nu för riskerna att den energiintensiva IT-sektorn kan öka lavinartat i elförbrukning, och kryptovalutor som Bitcoin och Ethereum står för en avsevärd del av det senaste tidens ökning. Om Stellar ska kunna utgöra grunden för framtidens finansiella infrastruktur är det kritiskt att plattformen inte har samma energitörstande beteende som t.ex. Bitcoin.

I denna studie har Stellars energiförbrukning undersökts. Genom att installera en server och ansluta den till betalningsnätverket kunde vi mäta energiförbrukningen från processor samt minnesanvändning, och med hjälp av generella koefficienter kunde vi även uppskatta elförbrukningen från lagring samt nätverkstrafik. Resultaten visar att Stellars nätverk har en låg förbrukning — en faktor av 10 miljoner mindre än Bitcoin per transaktion, samtidigt som det finns gott om utrymme för vidare optimering. Intressant nog visade resultaten på att inte är själva servrarna — minnesanvändning, lagring, och processorkraft — som står för den större delen av energiförbrukningen. Istället är det överföringen av data över vår globala IT-infrastruktur som står för över 94 % av fotavtrycket.

Med en blockkedjelösning som verkar frikoppla extrem energiförbrukning från decentralisering är Stellar inte bara intressant som potentiell finansiell infrastruktur, utan även som inspiration för andra blockkedjelösningar, inom såväl som utöver finansiell teknologi.

• author: Wanecek, Wilhelm
• supervisor: Max Åhman
• organization: Department of Electrical and Information Technology
• alternative title: Estimating the electricity consumption of the Stellar payment network
• course: EITL01 20211
• year: 2021
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Energy efficiency, Payment systems, Stellar, Consensus algorithm, Digital currencies
• report number: LU/LTH-EIT 2021-831
• language: English
• id: 9059429
• date added to LUP: 2021-06-29 11:03:58
• date last changed: 2021-08-11 12:51:50