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Dezentral und unverwundbar: Storage im Metaverse

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Dezentrales Storage im Web3 ist sicherer und günstiger als Cloudspeicher. Doch eignet es sich auch für Unternehmen? Und wie funktioniert das überhaupt? Wir haben uns mit den Erfindern des IPFS und der Filecoin-Blockchain unterhalten und nachgefragt.

Blockchain als Speicher?

Eine Blockchain selbst eignet sich nicht für die Speicherung großer Datenmengen. Allerdings kann man mit einer Blockchain Transaktionen wie das Speichern von Daten in einem dezentralen Netzwerk absichern. Das InterPlanetary File System (IPFS) ist ein verteiltes Dateisystem und Protokoll für genau solch ein dezentrales Speichernetzwerk. Abgelegte Daten erhalten eine inhaltsbasierte Adresse, welche in einer zentralen Datenbank gespeichert wird. Mit der Adresse lassen sich die Daten jederzeit wiederfinden, bearbeiten, löschen, verschieben oder teilen. IPFS-Adressen sind dauerhaft, unveränderlich und öffentlich überprüfbar, was es sehr sicher und transparent macht. Prüfsummen (Hashes) garantieren die Integrität der Daten. Abgesichert wird jede Transaktion mit einem Eintrag in der Blockchain. Das IPFS basiert auf einer eigenen Blockchain: dem Filecoin.

IPFS Filecoin Blockchain
Transaktionen auf der Filecoin-Blockchain

Kryptografische Verfahren sorgen dafür, dass die Daten jederzeit verfügbar und unverändert bleiben. Die Hashes werden kontinuierlich überprüft und bei Bedarf werden automatisch Korrekturmaßnahmen ergriffen – z. B. um jederzeit die Integrität oder vereinbarte Anzahl der Kopien einer Datei zu gewährleisten.

Interplanetarischer Hyperraum

Eine Datei, die auf IPFS gespeichert werden soll, wird zunächst in kleinere Teile zerlegt. Jedes dieser Teile wird kryptografisch mit einem eindeutigen Fingerabdruck versehen – dem Content Identifier (CID). Die CID wird im IPNS-Namenssystem gespeichert. Indizierungsinformationen auf den einzelnen Knoten des IPFS-Netzwerkes helfen anderen Nodes herauszufinden, wo was gespeichert ist. Mit DNSLink lassen sich CIDs in für Menschen lesbare DNS-Namen umwandeln. Das funktioniert im Prinzip genauso wie das Namenssystem für Webseiten.

Um eine Datei anzusehen oder zu bearbeiten, wird eine Kopie im Cache angelegt. Wird dann die neue Version der Datei gespeichert, ändert sich der kryptografische Hash, und die Datei erhält eine neue CID. Änderungen an einer Datei überschreiben nie das Original. Auf IPFS gespeicherte Dateien sind damit resistent gegen Manipulationen und so auch vor einer Verschlüsselung durch Ransomware geschützt. Da jede Transaktion Geld kostet, eignen sich dezentrale Speicher wie IPFS gut als Backupziel oder für die Archivierung.

Die Höhe der Transaktionskosten ist schwer kalkulierbar. Im Prinzip funktioniert es wie an einer Börse: Nachfrage und Angebot bestimmen den Preis. Anders als an der Börse sind die Transaktionskosten jedoch weder reguliert noch an den Wert der Transaktion gebunden. Einfach ausgedrückt sind die Transaktionskosten die Kosten für den Energieverbrauch einer Transaktion. Die zum Ausführen einer Aktion benötigte Ressource (Rechenleistung) wird als Gas bezeichnet. Der Bedarf an Gas und die entsprechende Gebühr (Gas-Fee) unterscheiden sich je nach Aktionen. Die Gas-Fee wird in Cryptowährung bezahlt. Wer ganz genau wissen will, wie die Gas-Fee bei Filecoin funktioniert, kann es in diesem Blogpost nachlesen.

Da der Filecoin anders als z. B. Bitcoin an eine praktische Funktion gebunden ist, sollten auch die Transaktionskosten gering ausfallen. Filecoin basiert auf einem Proof of Storage (PoS). Es erfolgt kein Proof of Work. oder Proof of Stake. Der PoS wird anhand verschiedener KPI ermittelt und ist mit einem Ranking vergleichbar. Zu den KPI zählen u. a. Zuverlässigkeit, Speicherplatz, Bandbreite, etc. Signifikant anders dürfte es bei dem auf Ethereum aufbauenden IPFS-Netz von Cloudflare aussehen.

Die Kosten für die Speicherung selbst sind aktuell ebenfalls noch deutlich günstiger als bei den klassischen Cloudanbietern. Das liegt vor allem daran, dass die Teilnehmer am IPFS-Netzwerk mit Filecoins für die Speicherung der Daten belohnt werden und so ihren Service subventionieren. Das dürfte sich allerdings spätestens mit Erreichen des maximal möglichen Münzbestandes (max supply) ändern. Filecoin (FIL) hat einen Gesamtbestand von 1,97 Milliarden Münzen. Derzeit sind ca. 300 Mio. im Umlauf (total supply). Die Ausgabe ist reguliert und erfolgt in Chargen.

Dedup inklusive

Da jeder Hash eindeutig ist, lassen sich Duplikate einfach und schnell aufspüren. In Verbindung mit der Effizienz des Netzwerkes – es werden keine unnützen Daten gespeichert – werden Unternehmen im Abbau von Silos unterstützt und können wertvollen Speicherplatz sowie Kosten sparen.

Sind wir nicht alle ein bisschen Cloud?

Am Filecoin-Netzwerk kann jeder teilnehmen, der Speicherplatz übrig hat. Aktuell beteiligen sich rund 4.500 Provider am Filecoin-Storage-Netzwerk und bieten eine Kapazität von über 17.000 PB. Zum Vergleich: Herausforderer Storj bringt es auf gerade mal knapp 20 PB!

Ein Hybrid-Bootcamp (eine Woche in Person, vier Monate remote) und Experten wie PiKNiK, Seagate, AMD und natürlich Protocol Labs selbst helfen beim Onboarding. Interessierte SPs können sich im ESPA-Portal bewerben oder sich hier zunächst über die Möglichkeiten informieren. Passende Hardware gibt es u. a. von Supermicro.

Das Geschäftsmodell kann jeder Service Provider selbst bestimmen. Einige verlangen außer den Transaktionskosten gar keine Gebühren für das Speichern der Daten, weil sie mit den Rewards genug verdienen. Diese Rewards werden in Filecoins (FIL) ausgezahlt. Derzeit entspricht der Wert eines FIL ca. 5 USD. Je mehr Daten man speichert, desto höher ist die Belohnung. Allerdings spielen noch andere Faktoren eine Rolle beim Rewarding. Neben der Anzahl Contributer spielt vor allem die eigene Qualität eine Rolle. Wer nur 1% zur Gesamtqualität beiträgt, bekommt auch nur ein Prozent der Ausschüttung. Filecoin erklärt die Mathematik hinter Simple Minting, Baseline Minting und Block Reward Issuance in einem Blogpost. Immerhin lässt sich mit der Blockchain endlich einmal Integralrechnung auch praktisch anwenden. Die Auszahlung der Rewards erfolgt gestaffelt: 25% werden sofort ausgezahlt, die restlichen 75% verteilt über die nächsten sechs Monate. 2020 betrug die tägliche Ausschüttung bei 150k produzierten FIL 40.000 Coins. Beim derzeitigen Marketcap dürfte der Block-Reward demnach aktuell bei knapp 70 Mio. FIL liegen.

Wieviel ein Service Provider verdienen kann, hängt zudem von mehreren Faktoren ab. Mit dem Filecoin Storage Provider Return Calculator von Starboard Networks lassen sich Ausgaben und Einnahmen sowie der Gewinn in Abhängigkeit vom VK kalkulieren. Bei einem Invest von einer halben Mio. Euro mit entsprechender Abschreibung und 10 TB Kapazität ist ein Verkaufspreis von 3,50 Euro pro TB pro Monat ein guter Wert. Zum Vergleich: Bei Storj kostet das TB pro Monat ca. 4,40€.

AppDashboard der IPFS-Desktop-App
Dashboard der IPFS-Desktop-App (Quelle: IPFS)

Einige bemerkenswerte Anwender gibt es natürlich ebenfalls bereits. Da ist einmal die Berkeley Universität. Die UC Berkeley Underground Physics Group nutzt den dezentralen Cloud-Speicher für Forschungsdaten aus der Neutrinophysik. Die Erkenntnisse aus der Neutrinoanalyse sollen bei der Entwicklung neuartiger Nachweistechnologien helfen. Ein weiteres interessantes Projekt ist das Open-Data-Büro der Stadt New York. Im Rahmen eines Experiments werden städtische Informationen wie Luftqualität, demographische Daten der Stadt und Daten zu öffentlichen Anhörungen im Filecoin-Netzwerk gespeichert. Das Projekt ist auf fünf Jahre angelegt und soll aufzeigen, wie dezentrale Speichertechnologien die Arbeit der Verwaltung verbessern können.

Einer der bekannteren Anbieter von Filecoin-Storage ist Seal Stoarge Technology. Seal speichert die Daten seiner Kunden ausschließlich in Rechenzentren, die zu 100% mit erneuerbarer Energie versorgt werden.

Scotty, Energie!

Wie ist das überhaupt mit dem Stromverbrauch? So eine Blockchain ist doch furchtbar energiehungrig! Prinzipiell stimmt das. Allerdings liegt das im Wesentlichen an der Methode, wie Blöcke geschrieben werden. Beim Proof of Work, wie es für Bitcoin verwendet wird, muß sich ein Rechner für die Transaktion bewerben. Das bedeutet, dass alle Rechner im Netzwerk wie wild anfangen zu kalkulieren und der Stärkste gewinnt. Das kostet freilich viel Strom – Strom, den 99 von 100 Rechnern umsonst investieren. Das ist stark vereinfacht ausgedrückt. Eine einzige BTC-Transaktion verbraucht etwa 2165 kWh Strom. Statista zufolge verbraucht das gesamte Bitcoin-Netzwerk das jährlich 125 TWh. Verglichen mit den Top-Verbrauchern China (6.875 TWh) und den USA (3.844 TWh) scheint das geradezu lächerlich wenig. Selbst so ein kleines Land wie Deutschland verbraucht mit 500 TWh im Jahr wesentlich mehr. Eine Transaktion im Ethereum-Netz kam bisher auf 214 kWh. Mit dem Wechsel zum neuen Proof-of-Stake-Verfahren sollen 99% Strom gespart werden.

Tatsächlich verbraucht das Filecoin-Speichernetz nur wenig mehr Energie als herkömmliche Rechenzentren. Deren Proof-of-Storage-Methode ist mit dem neuen Proof-of-Stake-Konzept von Ethereum vergleichbar. Wie Filecoins Proof of Storage basiert auch der Proof of Stake auf einem Konsensmechanismus – einer Methode zur Validierung von Einträgen in einer verteilten Datenbank, die gleichzeitig die Sicherheit der Datenbank gewährleistet.

Geschätzt verbraucht ein Filecoin-Storage-Anbieter im Monat für das Speichern von 100 PB ca. 530 kWh. Eine einzelne Transaktion dürfte mit 55 kWh zu Buche schlagen. Den Wert schätzen wir auf Basis des Energieverbrauchs für die Berechnung der Hashes inkl. eines Durchschnittswertes für die Power Usage Effectiveness (PUE), welcher Gemeinkosten wie Kühlung berücksichtigt.

Stromverbrauch Filecoin-Blockchain
Gesamt-Stromverbrauch der Filecoin-Blockchain

Filecoin möchte das grünste Speichernetzwerk der Welt werden. Allein 2022 hat das Filecoin-Netzwerk mehr als 1,8 TWh an erneuerbarer Energie gekauft. Mit dem überprüfbaren Energie-Dashboard ist Filecoin zudem die weltweit transparenteste große Blockchain in Bezug auf den Stromverbrauch.

Der Masterplan

Nach dem dezentralen Storage kommen die dezentralen Anwendungen. Dazu hat Protocol Labs einen Drei-Stufen-Plan vorgestellt. Aktuell ist man bei Schritt 2:

  • Schritt 1: Aufbau des weltweit größten dezentralen Speichernetzwerks
  • Schritt 2: Sicherung der Daten der Menschheit
  • Schritt 3: Rechenleistung zu den Daten bringen, um Anwendungen im Web zu ermöglichen

Auch die Blockchain wird kontinuierlich weiterentwickelt:

Filecoin Roadmap von Protocol Labs

Wir sprachen mit Vertretern von Protocol Labs, Seal, PiKNiK und Seagate auf der 46. IT Press Tour in Palo Alto.

46. IT Press Tour Protocol Labs
Protocol Labs auf der IT Press Tour im Oktober 2022
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