Explodierende Kosten für die Datenspeicherung auf einer Blockchain

Wichtiger Hinweis: Dieser Beitrag verwendet Näherungswerte hinsichtlich volatiler Daten und Werte, die sich nur schwer bestimmen lassen. Bitte beachten Sie die Hinweise auf weiterführende Informationen darüber, warum und wie wir einzelne Beispiele ausgewählt und wie wir Kosten berechnet haben. Zusätzlich zu reinen Transaktionsdaten auch weitere Informationen auf einer Blockchain zu speichern, kann erhebliche Vorteile mit sich bringen. Grundsätzlich ermöglichen Blockchains bereits von Haus aus die hochgradig sichere und hochverfügbare, unabhängige, unzensierbare Speicherung von Information. Ein weiterer großer Vorteil für besondere Anwendungsfälle ist, dass auf einer Blockchain gespeicherte Informationen nachträglich nicht verändert werden können und unabhängig von jeglichen Intermediären sind. Doch die Preise und Transaktionskosten auf Blockchains wie Ethereum oder Bitcoin sind während der vergangenen Monate explodiert. Wollte man Informationen wie unseren ISCC-Identifier auf einer der großen Blockchains speichern, müsste man einen erheblichen Zuschlag bezahlen. Ein Grund dafür ist, daß der Ressourcenverbrauch und die Gesamtkosten für den Betrieb der Netzwerke steigen, wenn Blockchains und deren Netzwerke wachsen. Die Hauptgründe sind aber wahrscheinlich bei dem stark gestiegenen öffentlichen Interesse an Bitcoin und ähnlicher Währungen sowie dem Markteintritt neuer Spekulanten und Glücksritter zu suchen, die in den vergangenen zwölf Monaten die Nachfrage und den Preis vieler Kryptowährungen in die Höhe getrieben haben. Seit Ende 2015 hat sich der durchschnittliche Preis für eine Bitcoin- oder Ethereum-Transaktion kontinuierlich erhöht^1 2:

	BTC	ETH
Q4 2015	0,062 USD	0,008 USD
Q1 2016	0,085 USD	0,028 USD
Q2 2016	0,129 USD	0,03 USD
Q3 2016	0,175 USD	0,034 USD
Q4 2016	0,241 USD	0,33 USD
Q1 2017	0,621 USD	0,064 USD
Q2 2017	2,443 USD	0,608 USD

Die durchschnittlichen Transaktionskosten haben sich innerhalb von nur zwanzig Monaten bei Bitcoin um den Faktor 39 und bei Ethereum um den Faktor 76 erhöht.³ Der Einfachheit halber nehmen wir an, wir möchten lediglich die Informationsmenge von 100 Bytes als Textkommentar zu jeder Transaktion speichern; die Kosten für das Speichern von 100 Bytes stellen also den Transaktionspreis dar. Die Feststellung, wie teuer diese Transaktionen verglichen mit anderen „Speicherlösungen“ sind, fällt nicht leicht. Ein einfacher Vergleich mit den Kosten, die Informationsmenge von 100 Bytes auf einer Festplatte zu speichern (gegenwärtig ungefähr 0,000000003 USD), ist nicht hilfreich, da eine einzelne Festplatte zu keiner Zeit hochgradig sicher, hochverfügbar und unveränderlich wie eine Blockchain ist. Die einer verteilten Blockchain ihrem Wesen nach ähnlichste Alternative wäre ein globales, verteiltes Datenbank-Netzwerk. Es gibt verschiedene Möglichkeiten und verfügbare Produkte für eine solche Datenbank. Für diesen Beitrag haben wir Google Cloud Spanner als Beispiel ausgewählt.⁴ Kosten⁵ für das Schreiben von 100 Bytes in Google Cloud Spanner: 0,0002 USD. Kosten für das 1000-malige Lesen von 100 Bytes in Google Cloud Spanner: 0,000015 USD. Die Kosten für das Abspeichern von nur einigen wenigen Bytes im Ethereum- oder Bitcoin-Netzwerk liegen gegenwärtig ungefähr 2000 bis 8000 mal höher als bei einer globalen, Internet-basierten Datenbank. Darüber hinaus ist eine klassische Datenbank um etliche Größenordnungen schneller als eine Blockchain. Man könnte argumentieren, der Vergleich einer öffentlichen Blockchain mit einer verteilten Datenbank wäre zwangsläufig wie ein Vergleich von Äpfeln mit Birnen. Dieser Einwand ist sicherlich richtig: Eine Blockchain und eine verteilte Datenbank sind vollkommen unterschiedliche Dinge, die für unterschiedliche Zwecke konzipiert wurden; sie sind jedoch vergleichbar, was die strukturierte Speicherung beliebiger Informationen betrifft. Darüber hinaus ließe sich einwenden, dass eine private, Berechtigungs-basierte Blockchain die Kosten der Speicherung auf einer Blockchain erheblich reduzieren würde. Das ist (in vielen Fällen) richtig, doch eine private Blockchain ist für die Schaffung eines offenen Ökosystems für Content nicht geeignet. Des Weiteren existieren bereits „Storage-Blockchains“ wie Storj, Filecoin, MaidSafe, Ethereum Swarm, die niedrigere Kosten „anbieten“, jedoch andere Hindernisse und konstruktionsbedingte Einschränkungen mit sich bringen, die sie weniger vorteilhaft für ein Projekt wie das unsrige machen. Es ließe sich einwenden, dass die tatsächlichen Transaktionskosten auf den üblichsten Blockchains eigentlich viel niedriger sind und dass die bei den Benutzern anfallenden Kosten deshalb so hoch sind, weil all die Spekulanten die Preise in die Höhe treiben. Betrachten wir vor diesem Hintergrund die „realen“ Kosten einer Bitcoin-Transaktion. Die gegenwärtige Bitcoin-Hashrate liegt bei etwa 5 Exa-Hashes/s (Stand 17.07.2017); die Effizienz der besten frei verfügbaren Mining-Hardware liegt zwischen 0,05 und 0,098 Watt Stromverbrauch pro GH/s. Die durchschnittliche Anzahl der Bitcoin-Transaktionen pro Tag liegt ungefähr zwischen 260.000 und 330.000.⁶ Ergebnis: der Stromverbrauch einer einzelnen Bitcoin-Transaktion beträgt ungefähr 35 KWh (im Juli 2017 schwankte er auf dem Bitcoin-Netzwerk zwischen 26 kW/h und 43 kW/h). Global reicht der Preis pro KWh von 0,01 USD (Produktionskosten an einem sehr kostengünstigen Standort) bis zu 0,35 USD (Endkundenpreis inklusive aller Infrastrukturkosten, Steuern, Gebühren usw.). Wenn wir also einen Preis von 0,01 USD (ohne jegliche Folgekosten) annehmen, liegen die minimalen Kosten einer Bitcoin-Transaktion derzeit bei 0,35 USD. Doch diese Annahme lässt andere wichtige Faktoren wie ökologische Nachhaltigkeit, geografische Region, Infrastrukturkosten, Investitionen in Mining-Hardware usw. völlig außer Acht. Folglich sind die realistischen „wahren“ Kosten einer Bitcoin-Transaktion wahrscheinlich 5-20 mal höher (1,80 USD bis 7,00 USD). Was schließen wir daraus? Dass Bitcoin und Ethereum für die Speicherung von Informationen ungeeignet und kostspielig und langsam sind? Nein, es ging darum, die zusätzlichen Kosten zu demonstrieren, die (gegenwärtig) für die Unabhängigkeit von Dritten und die Sicherheit einer Blockchain wie Bitcoin oder Ethereum anfallen.

Allgemeine Schlussfolgerungen und projektspezifische Erkenntnisse für das Content-Blockchain-Projekt

Verglichen mit traditionellen Lösungen ist es gegenwärtig in der Tat kostspielig, selbst geringe Datenmengen auf einer Blockchain wie Bitcoin oder Ethereum zu speichern – wahrscheinlich bei Weitem zu kostspielig, um Hunderte Millionen von ISCCs zu speichern, und viel zu kostspielig, um die Content-Mikrotransaktionen des Content-Blockchain-Projekts abzuwickeln.
Blockchains sind schlechte Datenbanken (hinsichtlich der Speicherung großer Datenmengen). Eine Blockchain für das Projekt einzusetzen, sollte eine wohlüberlegte Entscheidung sein.

Der Grund, warum wir noch immer glauben, dass eine öffentliche Blockchain die geeignete Umgebung für unser Projekt ist, lässt sich einfach zusammenfassen: Möchte man ein wirklich offenes, sicheres, zuverlässiges und nicht zensierbares Content-Ökosystem schaffen, dann ist eine öffentliche Blockchain derzeit der beste Weg dorthin. Unser gegenwärtiges Ziel ist, eine (bessere) Blockchain-Lösung zu finden, die in wirtschaftlicher Hinsicht für Content-Mikrotransaktionen und ISCC-Registrierungen geeignet ist. Wir prüfen die Schaffung einer neuen Blockchain speziell für den ISCC und Content-Transaktionen, um die Transaktionen auf lange Sicht kostengünstig zu machen.

¹ Die Speicherung von Informationen auf einer Blockchain
Einige Blockchains wie Bitcoin unterstützen lediglich die Speicherung kleiner Mengen von Transaktions-Metadaten. Die Ethereum-Blockchain verfolgt einen völlig anderen Ansatz; eine Transaktion oder ein Ethereum-Contract könnte sich benutzen lassen, um Daten zu speichern. Dabei sind die Kosten für die Erstellung eines neuen Contracts recht hoch, doch Daten-Operationen innerhalb eines Contracts wären viel kostengünstiger. Abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall könnte es nötig sein, einen neuen Contract für jede einzelne Daten-Transaktion zu erzeugen; alternativ könnte ein einzelner Contract die Ergebnisse mehrerer Transaktionen abarbeiten und speichern. Es ist folglich beinahe unmöglich, die genauen Kosten für die Speicherung beliebiger Daten auf der Ethereum-Blockchain zu ermitteln, da sie von einer Reihe von Faktoren wie Ether-Preis, Gas-Preis, Gas- / Ressourcen-Verbrauch, der verwendeten Börse und dem tatsächlichen Anwendungsfall abhängen. Wir haben uns demgemäß entschlossen, eine sehr einfache Preisangabe, den durchschnittlichen Transaktionspreis, für Bitcoin und Ethereum zu verwenden.

² Quelle der Preise
Sämtliche Preisinformationen für Bitcoin und Ethereum wurden der Seite https://bitinfocharts.com entnommen. Die Daten sind möglicherweise nicht vollkommen exakt, da die Umtauschkurse und Kosten pro Transaktion je nach Region und Börse um etliche Prozent variieren können. Die Daten sollten für den Zweck dieses Artikels, d. h. um in groben Zügen die generelle Preisentwicklung bei Bitcoin und Ethereum zu illustrieren, dennoch hinreichend sein.

³ Bitcoin und Ethereum
Die Gründe für die Fokussierung auf Bitcoin und Ethereum in diesem Artikel sind recht einfach. Faktoren wie Netzwerkgröße, Dauer des öffentlichen Betriebs, Verteilung der Nutzer, Nutzer-Akzeptanz, Hashrate und Entwickler-Community sind hinsichtlich der Netzwerksicherheit und der Wahrscheinlichkeit, dass eine bestimmte Blockchain während der nächsten vierundzwanzig Monate weiterhin bestehen wird, maßgeblich. Jedes ernstgemeinte Projekt muss diese Faktoren bei der Planung des Einsatzes einer Blockchain berücksichtigen, wenn es darum geht, sich für eine spezifische Blockchain-Umgebung zu entscheiden, und diese Faktoren machen Bitcoin und Ethereum so populär.

⁴ Auswahl einer typischen verteilten Datenbank
Betreibt man MySQL auf zwei dedizierten Servern, erhält man eine verteilte Datenbank. Verlegt man sie in zwei unterschiedliche Datencenter, erhält man eine sehr kostengünstige global verteilte Datenbank. Es gibt zahllose andere Möglichkeiten, eine global verteilte Datenbank zu schaffen, da nahezu alle großen Datenbank-Systeme die eine oder andere Art von Clustering oder Replikation unterstützen, einige sogar in globalem Maßstab zwischen Kontinenten.
Wir haben Google Cloud Spanner schlicht aus dem Grund als Beispiel gewählt, weil dieses System auf in jeder Hinsicht globalem Maßstab arbeitet, weil umfassende Preisinformationen öffentlich erhältlich sind und die Preisstruktur gerade in der Mitte zwischen überaus billig und extrem teuer liegt.

⁵ Berechnung der Kosten für Google Cloud Spanner in diesem Beispiel: 3 Cloud Spanner Nodes (USA, Europa, Ostasien) = 0,90 USD * 3 * 720 h = 1.944 USD pro Monat.
Kosten für das Schreiben
0,0000001 GB (100 Bytes) * 0,30 USD pro GB Speicherplatz pro Monat, eingehender Traffic kostenfrei = 0,00000003 USD
Vorhaltezeit 120 Monate = 120 * 0,00000003 USD = 0.0000036 USD (Kosten für die Speicherung von 100 Bytes über 120 Monate)
Kosten für 3 Nodes / 10 Mio. Schreibvorgänge pro Monat = 1.944 USD / 10.000.000 = 0,0001944 USD
Angenommene Kosten für die Speicherung von 100 Bytes über 10 Jahre auf 3 Cloud Spanner Nodes = 0,000198 USD, gerundet 0,0002 USD
Da eine Blockchain grundsätzlich ein „write once, read many“-Anwendungsfall ist, gehen wir bei unserer Berechnung von einem Verhältnis von 1000 Lesevorgängen für 1 Schreibvorgang aus. Weiter nehmen wir an, dass alle Node- und Speicherungs-Kosten in den Preis für einen Schreibvorgang eingerechnet werden. Demnach entsprechen die Lesekosten im Grunde den Kosten für ausgehenden Traffic. Googles Preise für ausgehenden Netzwerkverkehr liegen zwischen 0,08 und 0,23 USD, abhängig von Region und Volumen; für unsere Berechnung setzen wir 0,15 USD an. 0.0000001 GB * 0,15 USD * 1000 Vorgänge = 0,000015 USD

⁶ Berechnung des Energieverbrauchs
Es ist sehr schwer, den gegenwärtigen Energieverbrauch der Blockchain-Netzwerke zu beziffern. Es lässt sich nur eine grobe Schätzung auf Basis der öffentlich verfügbaren Hashrates und der öffentlich verfügbaren Informationen über die Effizienz des Mining-Equipments vornehmen. Wahrscheinlich ist, dass der weltweite Stromverbrauch allein für das Bitcoin-Netzwerk zwischen 350 MWh und 600 MWh liegt.

Datenquelle für die gegenwärtige Bitcoin-Hashrate: https://blockchain.info/charts/hash-rate

Weitere Informationen über die Berechnung und Effizienz von Mining-Hardware:
https://www.theguardian.com/sustainable-business/2017/jul/13/could-a-blockchain-based-electricity-network-change-the-energy-market
https://motherboard.vice.com/en_us/article/ypkp3y/bitcoin-is-still-unsustainable
http://digiconomist.net/bitcoin-energy-consumption
http://digiconomist.net/ethereum-energy-consumption