Kalle Ylänen
BITCOININ LOHKOKETJUTEKNOLOGIAN SKAALAUTUVUUSHAASTEET JA RATKAISUEHDOTUKSET
Kandidaatintyö
Johtamisen ja talouden tiedekunta
Tarkastaja: Ilona Ilvonen
Joulukuu 2021
TIIVISTELMÄ
Kalle Ylänen: Bitcoinin lohkoketjuteknologian skaalautuvuushaasteet ja ratkaisuehdotukset Bitcoin blockchains scalability challenges and proposed solutions
Kandidaatinyö Tampereen yliopisto Tietojohtaminen Joulukuu 2021
Bitcoin on maailman tunnetuin kryptovaluutta, jonka kehitti pseudonyymi Satoshi Nakamoto vuonna 2008. Bitcoinin raju kurssinousu viime vuosien aikana on herättänyt paljon uteliaisuutta ja mielenkiintoa sitä kohtaan. Bitcoin ei ole pelkästään sijoitusinstrumentti tai sijoittajien turvasa- tama, vaan se luo mahdollisuuden siirtää varoja luotettavasti kenelle tahansa, ilman kolmannen osapuolen tarvetta. Bitcoinin sujuva toiminta yli 10 vuoden ajan ei ole kuitenkaan vakuuttanut kaikkia ihmisiä sen käytettävyydestä valuuttana, ja Bitcoinilla on sen takia hieman arveluttava maine. Suuri osa ihmisistä kuitenkin uskoo Bitcoinin tulleen ja vakiinnuttaneen paikkansa nyky- yhteiskunnassamme.
Bitcoinin selkärankana toimii lohkoketjuteknologia, joka on luonut Bitcoinille sen ainutlaatuiset ominaisuudet. Lohkoketjuteknologian keksimistä on verrattu jopa internetin syntyyn ja kyseessä on mullistava tekniikka, jonka ominaisuudet perustuvat hajautettuun hallintoon. Lohkoketjutekno- logian avulla toisilleen vieraat osapuolet voivat luoda ja ylläpitää hajautettua tietokantaa.
Vielä vuonna 2021 Bitcoinia ei ole mahdollista ottaa käyttöön laajassa mittakaavassa, sillä sen tekniset ominaisuudet rajoittavat sen skaalautuvuutta. Skaalautuvuudella viitataan Bitcoinin ta- pauksessa kykyyn käsitellä suurempia transaktiomääriä. Ongelma ei ole kuitenkaan niin vakava, koska ohjelmistojen tavoin Bitcoinia on mahdollista parantaa päivityksillä. Tämän kandidaatintyön tavoitteena on tavoitteena selvittää, miten Bitcoinin skaalautuvuutta voitaisiin parantaa. Työssä huomioidaan myös, mitä haasteita ja ongelmia Bitcoinin skaalautuvuudessa on tällä hetkellä ja tarkastellaan skaalautuvuusongelman ratkaisuehdotuksia. Tutkimuksen tavoitteiden tukemiseksi on lisäksi perehdytty lohkoketjuteknologian rakenteeseen, ominaisuuksiin ja toimintaan.
Tehdyn tutkimuksen perusteella voidaan todeta Bitcoinin lohkoketjuteknologian olevan vielä nykyisellään skaalautumaton arkipäiväisiin transaktioihin. Bitcoinin lohkoketjuteknologiaa koske- via sääntöjä tulisi päivittää, jotta sen skaalautuvuus voisi parantua. Tutkimuksessa havaittiin myös Bitcoinin konsensusalgoritmin työntunnisteen olevan yksi skaalautuvuutta rajoittava tekijä. Jotta Bitcoinia voisi käyttää arjen maksuvälineenä, vaatii se vielä tutkimusta ja tarvittavia päivityksiä havaittujen muutostarpeiden pohjalta.
Avainsanat: Bitcoin, lohkoketjuteknologia, hajautettu tietokanta, skaalautuvuus, suorituskyky
Tämän julkaisun alkuperäisyys on tarkastettu Turnitin OriginalityCheck –ohjelmalla.
ALKUSANAT
Tämä kandidaatintyö on aloitettu Tampereella syksyllä 2021. Työn määrä vaikutti etukä- teen todella suurelta, mutta onnistuin selättämään työkuorman mielestäni hienosti. Ha- luan kiittää ohjaajaani, opponoijia, perhettäni sekä kellarin opiskelutovereita avusta.
Tampereella, 14.12.2021
Kalle Ylänen
SISÄLLYSLUETTELO
1. JOHDANTO ... 1
1.1 Aiheen teoreettinen tausta ... 1
1.2 Tutkimuksen kysymykset ja rajaukset ... 3
1.3 Työn rakenne ... 4
2. TUTKIMUKSEN SUORITTAMINEN ... 6
2.1 Tutkimusmenetelmä ja tutkimusaineiston haku ... 6
2.2 Tutkimusaineiston valinta ja esittely ... 7
3.LOHKOKETJUTEKNOLOGIA ... 9
3.1 Lohkoketjuteknologian määritelmä ja sen ominaisuudet ... 9
3.2 Lohkoketjuteknologian käyttö finanssialan ulkopuolella ... 10
3.3 Lohkoketjuteknologian käyttö Bitcoinissa ... 12
3.4 Bitcoinin haasteet ja rajoitteet yleisesti ... 13
4. BITCOININ SKAALAUTUVUUDEN KESKEISET ONGELMAT ... 15
4.1 Bitcoinin skaalautuvuudesta yleisesti ... 15
4.2 Bitcoinin suorituskyky ... 16
4.3 Bitcoinin lohkokoko ... 17
5.BITCOININ SKAALAUTUVUUDEN RATKAISUT ... 18
5.1 Ratkaisuista yleisesti ... 18
5.2 On-chain ratkaisuehdotukset ... 19
5.3 Off-chain ratkaisuehdotukset ... 20
6.JOHTOPÄÄTÖKSET ... 23
6.1 Tutkimuksen tulosten esittely ... 23
6.2 Tutkimuksen arviointi ... 24
6.3 Jatkotutkimusehdotukset ... 25
LÄHTEET ... 26
KESKEISET KÄSITTEET
Bitcoin on vertaisverkossa toimiva digitalinen valuutta, joka mahdollistaa varojen lähet- tämisen suoraan osapuolelta toiselle ilman kolmannen osapuolen tarvetta (Nakamoto, 2008).
Konsensusmekanismi on kryptovaluuttojen transaktioiden todentamisessa käytetty al- goritminen prosessi, jossa suurin osa vertaisverkon vahvistajista hyväksyy tilikirjan, jol- loin uusi lohko voi liittyä edellisen perään ja siihen kiinni. Algoritmiin liittyy paljon sääntöjä ja menettelytapoja, jotka riippuvat siitä, mitä mekanismia kyseinen lohkoketju noudattaa.
(Swanson, 2015)
Kryptovaluutta tarkoittaa digitaalisessa muodossa olevaa virtuaalivaluuttaa, jonka toiminta perustuu kryptografiaan. Kryptovaluutta toimii perinteisen rahan tavoin vaihdan- nan välineenä, ja kryptografian avulla toisilleen tuntemattomat osapuolet voivat luottaa toisiinsa. (Pernice ja Scott, 2021)
Lohkoketju on ketju, joka muodostuu toisiinsa kiinnittyneistä lohkoista. Näihin lohkoihin ovat tallentuneet kaikki aikaisemmat transaktiot ja ne ovat jaettuna vertaisverkkoon.
(Wang et al., 2019)
Lohkoketjuteknologia on Bitcoinin ja muiden virtuaalivaluuttojen taustalla toimiva teknologia, joka mahdollistaa hajautetun tietokannan ylläpidon. Lohkoketjuteknologia on kryptovaluuttojen olemassaolon mahdollistava ydinajatus, joka luo turvallisuutta ja luottamusta. (Caetano, 2015)
Louhija on vapaaehtoisesti Bitcoinin vertaisverkossa oleva toimija, joka verifioi ja pak- kaa transaktioita lohkoiksi (Xu et al., 2020).
Skaalautuvuus ei ole tarkasti määritelty termi, vaan sitoo monta kvantitatiivista mittaria yhteen (Croman et al., 2016). Tässä työssä skaalautuvuudella tarkoitetaan kykyä käsi- tellä suurenevia transaktiomääriä.
Transaktio on vertaisverkossa tapahtuva arvonsiirto, joka sisältää tiedon lähtö- ja lop- puosoitteesta sekä siirretyn Bitcoin määrän. (Nakamoto, 2008)
Vertaisverkko (engl. peer-to-peer (P2P) network) on hajautettu verkko, jossa pidetään yllä Bitcoinin tilikirjaa. Vertaisverkossa kiinni olevat solmut määrittelevät konsensusalgo- ritmien perusteella, ovatko transaktiot päteviä. (Essaid et al., 2020)
1. JOHDANTO
Tässä kandidaatintyössä tutkitaan Bitcoinin lohkoketjuteknologian skaalautuvuutta ja pohditaan erilaisia ratkaisuehdotuksia skaalautuvuusongelmaan. Tämän luvun tarkoitus on johdattaa lukija tutkittavaan aiheeseen sekä esitellä tutkimus ja sen suoritustapa. Ala- luku 1.1 avaa lukijalle kandidaatintyön aiheen teoreettisen taustan ja tutkimuksen kan- nalta olennaiset ilmiöt. Seuraava alaluku 1.2 selvittää tutkimuksen taustan ja esittelee pää- ja alatutkimuskysymykset. Alaluku 1.3 esittää tarkemmin lopun kandidaatintyön ra- kenteen.
1.1 Aiheen teoreettinen tausta
Lohkoketju on Bitcoin-kryptovaluutan selkärankana toimiva teknologia, jonka tarkoitus on mahdollistaa julkisen vertaisverkon ylläpito. Lohkoketjuteknologian ensimmäinen merkittävä toteutus tehtiin pseudonyymi Satoshi Nakamoton kehittämässä Bitcoinissa (Nakamoto, 2008) ja tämä on siivittänyt Bitcoinin maailman arvokkaimmaksi ja tunnetu- immaksi kryptovaluutaksi. Lohkoketjuteknologia toimii hajautetun tietokannan tavoin ja Bitcoinin tapauksessa pitää lokia aikaisemmista transaktioista. Tämä internetin syntyyn verrattu mullistava teknologia mahdollistaa digitaalisen niukkuuden olemassaolon.
Nykyään lohkoketjuteknologiaa on alettu soveltamaan monille muille aloille sen lukemat- tomien mahdollisuuksien ansiosta.
Tässä tutkimuksessa perehdytään kahteen ilmiöön eli virtuaalivaluutta Bitcoiniin ja sen taustalla toimivaan lohkoketjuteknologiaan. Tutkimusongelma liittyy näiden kahden ilmiön väliseen suhteeseen ja erityisesti suhteen ongelmakohtiin. Tutkimuksen aikana on olennaista muistaa, että Bitcoin on sekä kryptovaluutta että maksujärjestelmä eli Bitcoinia ei voi irrottaa erilleen ja käyttää muualla, vaan sillä on arvoa vain sen lohko- ketjuteknologian kanssa. Tällä hetkellä Bitcoinin käyttömahdollisuudet eivät vielä ole ko- vin laajoja, ja sen taustalla on muun muassa teknisiä rajoitteita. Tekniset haasteet liittyvät osittain Bitcoinin hajautettuun tietokantaan. Ratkaisemalla haasteet, Bitcoinia voisi alkaa käyttämään laajemmin useammilla alustoilla.
Kuva 1. Lohkoketjuteknologian hype-käyrä 2021 (Gartner, 2021)
Kuvassa 1 olevan Gartnerin vuoden 2021 lohkoketjuteknologia hype-käyrän mukaan, kryptovaluutat ovat valaistumisen rinteen (engl. Slope of Enlightenment) kohdalla eli ih- miset alkavat vähitellen ymmärtämään paremmin kryptovaluuttojen mahdollisuuksia ja käyttökohteita. Tuotannon kasvu -taso nähdään saavutettavan 2–5 vuoden päästä kryp- tovaluuttojen osalta. Sen lisäksi monia lohkoketjuteknologian muita sovelluksia tai muotoja on nähtävissä vaihtelevasti hype-käyrän kaikissa osissa, jotka ovat suurimmaksi osaksi 2–5 tai 5–10 vuoden päässä tuotannon kasvu -tasosta. (Gartner, 2021)
Tutkimuksen taustalla on Bitcoinin huomiota herättänyt raju kurssinousu viimeisten vuosien aikana. Alun perin Bitcoin saavutti suosiota rikollisten keskuudessa (Lee et al., 2015), mutta nykyään se on käytössä laajemmin. Kasvanut arvon heilahtelu ja kaupankäynnin volyymi nostavat mielenkiintoa Bitcoinia kohtaan niin henkilökohtaisella, kuin yleisellä tasolla (Urquhart, 2018).
Vallankumoukselliseksi kuvatussa lohkoketjuteknologiassa tietokannat ovat hajautetusti ylläpidettyjä, joka mahdollistaa ketjussa olevien välisen luottamuksen tuntematta toisi- aan ja ilman kolmansia osapuolia (Uddin et al., 2020). Lohkoketjuteknologian avulla void- aan muun muassa todentaa kryptovaluuttojen oikeellisuus ja välttää siten yritykset ma- nipuloida tai muuten käyttää väärin Bitcoinia. Tutkimusongelma liittyy myös tietokan- toihin, sillä lohkoketjuteknologia koostuu ketjussa olevista lohkoista. Lohkot toimivat tie- tokantoina informaatiolle eli Bitcoinin tapauksessa aikaisemmille transaktioille. (North- crypto, n.d.)
Tutkimuksessa keskitytään Bitcoinin skaalautuvuuden haasteeseen. Bitcoinin lohko- ketjuteknologiassa on piirteitä, jotka rajoittavat sen käyttöä suuressa mittakaavassa, joten siksi on tärkeää ymmärtää perusteet. Lisää lohkoketjuteknologian perusteista on luvussa 3.
1.2 Tutkimuksen kysymykset ja rajaukset
Kyseinen aihe valikoitui alustavasti tutkittavaksi pääasiassa tutkijan omasta mielenkiin- nosta ja uteliaisuudesta. Myös Bitcoinin ristiriitoja herättävä olemus nostaa mielenkiin- toa, koska sen tulevaisuuden näkymät ovat mielipiteitä jakavia (McCallum, 2015; Baek ja Elbeck, 2015; Baur et al., 2018). Bitcoinilla on tietoteknisestä näkökulmasta katsoen lohkoketjuteknologiassaan laajamittaisen käytön kannalta vielä haasteita (Sompolinsky ja Zohar, 2015) ja niiden selvittäminen sekä ratkaisujen pohtiminen nostavat mielenkiin- toa tutkimukselle sekä perustelevat sen tärkeyden.
Bitcoinin lohkoketjuteknologian rajoitteet ovat pääasiassa teknisiä ja niitä analysoimalla voisi saada paremman kuvan, onko Bitcoin tullut jäädäkseen vai pelkän kohun luoma kupla. On ihmisiä, jotka uskovat Bitcoinin säilyttävän arvonsa ja vakiinnuttavan paik- kansa nyky-yhteiskunnassamme. Yksi heistä on McCallum (2015), joka haluaa uskoa Bitcoinin selviävän ja menestyvän vaihtoehtoisena maksuvälineenä. McCallum on kui- tenkin huolissaan regulaation aiheuttamista uhista. Lewisin (2018) mukaan ihmisten epäuskoon Bitcoinia kohtaan on vaikuttanut se, että Bitcoin on mielletty perinteisiin si- joituskoreihin esimerkiksi valuuttojen tai kiinteistöjen kanssa. Kun Bitcoin on käyttäytynyt korille epätyypilliseen tapaan niin ihmiset ovat todenneet Bitcoinin olevan pettymys. Jot- kut ovat sitä mieltä, että Bitcoin on pelkkä kupla, jolla ei ole perusteanalyysin perusteella arvoa (Baek ja Elbeck, 2015; Baur et al., 2018). Kuitenkin Avivahin (2021) mukaan val- tavirta tulee omaksumaan Bitcoinin käytön lähitulevaisuudessa. Tutkimusta tehdessä täytyy keskittyä tarkastelemaan aihetta skaalautuvuuden näkökulmasta sen speku- latiivisesta maineesta huolimatta. Spekulatiivisuus antaa myös syyn perustella tutkimuksen tärkeyttä.
Kandidaatintyössä on pääongelma, joka on muotoiltu päätutkimuskysymyksen muotoon.
Päätutkimuskysymyksen avuksi on laadittu alatutkimuskysymyksiä, joiden tulisi helpot- taa pääongelman ratkaisemista. Alatutkimuskysymysten tulisi liittyä suoraan päätutki- muskysymykseen ja niiden vastausten perusteella tulisi pystyä vastaamaan päätutki- musongelmaan.
Kandidaatintyössä pyritään vastaamaan päätutkimuskysymykseen, joka on:
Miten Bitcoinin lohkoketjun skaalautuvuutta voisi parantaa?
Alatutkimuskysymyksiä ovat:
1. Mikä on lohkoketju?
2. Mitä ominaisuuksia Bitcoinin lohkoketjulla on?
3. Mitkä lohkoketjuteknologian ominaisuudet rajoittavat Bitcoinin skaalau- tuvuutta?
Tutkimuksessa on tärkeää huomioida se, että siinä ei keskitytä Bitcoinin haasteisiin yleis- esti vaan sen lohkoketjuteknologian asettamiin haasteisiin. Lohkoketjuteknologialla on omia tietoteknisiä ongelmia, jotka vaikuttavat Bitcoinin toimintaan yleisellä tasolla, mutta tutkimuksessa on valittu näkökulmaksi Bitcoinin skaalautuvuus. Lohkoketjuteknologian tekniset haasteet esitellään lukijalle yleisellä tasolla vain pintapuolisesti. Rajauksena skaalautuvuuden tutkimiseen on myös sen nykyinen konsensusmenetelmä työntunniste.
Tarkoituksena on tarkastella tällä hetkellä tunnettuja haasteita eli tutkimuksessa ei tulla analysoimaan spekulaation kohteena olevien tai mahdollisten tulevaisuuden teknisten haasteiden vaikutusta Bitcoinin skaalautuvuuteen. Tutkimuksen ulkopuolelle jää siis toisin sanoen paljon haasteita, jotka eivät liity skaalautuvuuteen tai tekniikkaan ylipäänsä eli esimerkiksi hallinnollinen sääntely tai Bitcoinin käytön vaikeus.
Bitcoinin skaalautuvuutta on tärkeää tutkia, sillä Bitcoin ei vielä tällä hetkellä pysty käsit- telemään suuria määriä transaktioita. Sompolinsky ja Zohar (2015) arvelevat skaalau- tuvuudella olevan tietoteknisestä näkökulmasta katsoen suurin vaikutus Bitcoiniin ja sen käytölle tulevaisuudessa. Tämä antaa varaa epäilijöille spekuloida Bitcoinin arvoa ja roo- lia tulevaisuudessa. Jos Bitcoin halutaan ottaa käyttöön suuressa mittakaavassa ja varmistaa sen paikka nyky-yhteiskunnassamme, niin sen skaalautuvuuden haasteet on ratkaistava. Ratkaisuehdotuksia käydään läpi luvussa 5.
1.3 Työn rakenne
Tämä alaluku päättää johdantoluvun, jossa käsiteltiin tutkimuksen ja teorian tausta.
Tämän alaluvun on tarkoitus esitellä kandidaatintyön rakenne lukijalle. Seuraavassa luvussa 2 käydään tutkimuksen suorittamiseen liittyviä asioita läpi ja alaluvussa 2.1 tark- ennutaan tutkimusmenetelmiin ja -aineiston hakemiseen. Alaluvussa 2.2 keskitytään tutkimusaineiston hakemiseen ja valintaan liittyviin kriteereihin ja lyhyesti esitellään sys- temaattisen tiedonhaun tuottamat kirjalliset löydökset. Luku 3 esittelee lohko- ketjuteknologian teoriaa sekä esittelee pintapuolisesti sen toimintaa. Luvun tarkoi- tuksena on auttaa lukijaa ymmärtämään kandidaatintyön kannalta tarvittavia perusteita, jotta skaalautuvuuden ongelmat ja ratkaisuehdotukset on helpompi ymmärtää. Bitcoinin skaalautuvuuden kannalta suurimmat ongelmat esitellään luvussa 4. Skaalautuvuutta
rajoittavia tekijöitä esitellään aluksi luvussa yleisesti ja tarkennutaan kahteen mer- kittävimpään tekniseen ominaisuuteen, joita ovat suorituskyky ja lohkokoko.
Bitcoinin skaalautuvuuden ratkaisuehdotuksia esitellään luvussa 5. Ratkaisuehdotukset on jaettu ratkaisun tyypin mukaan joko on- tai off-chain ratkaisuksi ja luku ko- konaisuudessaan on kandidaatintyön tärkein ja vastaa päätutkimuskysymykseen. Kan- didaatintyön varsinaisen osuuden päättää luku 6, jossa käydään läpi tutkimuksen tuotta- mat johtopäätökset, arvioidaan tutkimusosuutta ja pohditaan mahdollisia jatkotutkimuse- hdotuksia. Työn lopusta löytyvässä lähdeluettelossa on listattu kaikki kandidaatintyön tekemisessä tukena ollut materiaali.
2. TUTKIMUKSEN SUORITTAMINEN
Tämän luvun tarkoitus on esitellä lukijalle kandidaatintyön tutkimusosuuden suoritta- minen. Alaluvussa 2.1 käydään läpi se, mitä tutkimusmenetelmää on käytetty ja miten tutkimusaineistoa on haettu. Lukija saa täten perustelut sille, miten aineistoa on tutkimuksen tueksi etsitty. Alaluku 2.2. kertoo tarkemmin, miten tutkimusaineisto valittiin hakutulosten joukosta ja keskeistä aineistoa tutkimuksen kannalta esitellään lyhyesti.
Kaiken kaikkiaan luvun tarkoitus on selventää tutkimuksen lähtökohdat, jotta tutkimus on mahdollista suorittaa uudelleen ja saada samat tutkimustulokset.
2.1 Tutkimusmenetelmä ja tutkimusaineiston haku
Kandidaatintyö on toteutettu kirjallisuuskatsauksena ja se noudattaa mukaillen Finkin (2014) seitsemän kohdan mallia, jossa:
1. Valitaan tutkimuskysymykset
2. Valitaan tietokannat, josta aineistoa etsitään 3. Valitaan termit, joilla haetaan
4. Seulotaan aineistoa käytännön kriteerein 5. Seulotaan aineistoa metodologisin kriteerein 6. Suoritetaan perehtymistä aineistoon
7. Yhdistellään ja tulkitaan tuloksia
Tutkimusaineistoa argumenttien tueksi on etsitty pääasiassa Tampereen yliopiston hakupalvelu Andorista, Scopuksesta, ja ieee-portaalista. Tutkimuksessa on jonkin verran hyödynnetty Hankenin hakupalvelua Hannaa, kun Tampereen yliopiston lisenssit eivät ole olleet riittävän kattavia. Tutkimusaineisto sisältää pääasiassa lehti- ja konferenssijul- kaisuja sekä tieteellisiä artikkeleita. Tutkimusta tehdessä on suosittu vertaisarvioituja jul- kaisuja.
Taulukko 1. Hakulauseketaulukko
Tietokanta Hakulauseke Tulosten määrä
Andor Bitcoin AND scalab* 37 902
Andor Bitcoin AND scalab* AND
(challeng* OR limit*) 12 980
Scopus Bitcoin AND scalab* 381
Scopus Bitcoin AND scalab* AND
(challeng* OR limit*) 156
IEEE Xplore Bitcoin AND scalab* 272
IEEE Xplore Bitcoin AND scalab* AND
(challeng* OR limit*) 122
Yllä olevassa taulukossa 1 on esitetty kandidaatintyön aineiston etsimisessä käytettyjä hakulausekkeita ja niiden perusteella saatuja tuloksia. Hakulausekkeiden tuottamilla tu- loksilla saatiin kerättyä pääosin tutkimuksessa käytettyä aineistoa, mutta alaluvuissa ha- kulausekkeita välillä muokattiin hieman kontekstiin sopivammaksi. Tämä tapahtui usein lisäämällä kontekstiin liittyvä termi hakulausekkeeseen. Yllä olevilla lausekkeilla saatuja tuloksia hyödynnettiin suoraan tutkimuksessa ja niiden pohjalta suoritettiin jonkin verran helmenkasvatus tekniikkaa. Eli tuloksena saadun aineiston lähteitä käytettiin myös hyväksi. Kandidaatintyön lähteenä ollut aineisto oli lähes kokonaan englannin kielistä ja tutkimuksen apuna käytettiin sanaston ja aineiston suomentamiseen MOT-sanakirjaa.
2.2 Tutkimusaineiston valinta ja esittely
Julkaisun tutustumiseen vaikutti aivan aluksi sen otsikko. Julkaisu valittiin tarkemman tarkastelun kohteeksi, jos otsikon lisäksi tiivistelmä ja johtopäätös -osiot vaikuttivat ole- van oleellisia oman tutkimuksen kannalta. Tämän jälkeen julkaisu luettiin kokonaan, ellei kyseessä satu olemaan laajempi teos, jolloin teoksesta valittiin kiinnostavimmat osat tar- kastelun kohteeksi. Kun kyseinen aineisto oli luettu läpi, niin sen jälkeen sitä arvioitiin soveliaaksi omaan tutkimukseen.
Tärkein kriteeri, jota arvioitiin aineiston analysoinnissa, oli luotettavuus ja paikkansapitä- vyys. Siihen vaikutti osittain myös tiedontuottajan luotettavuus, koska Bitcoinista löytyi paljon subjektiivisesti kirjoitettua materiaalia internetistä. Ajantasaisuus oli tekijä, jota ei tarvinnut käytännössä ottaa huomioon, koska Bitcoin keksittiin 2008 ja informaatio ei ol- lut vielä suurelta osin päässyt vanhenemaan. Varsinkin skaalautuvuuden ongelma on tullut vasta viime vuosien aikana esille, joten siitä tehty tutkimus ei ollut päässyt vanhe- nemaan. Julkaisujen kattavuuteen ja sisältöön piti kiinnittää huomiota, sillä julkaisujen syvällisyys ja haastavuus vaihteli paljon sen mukaan, kuinka tuttu ilmiö kryptovaluutat ja
lohkoketjuteknologia ovat lukijalle. Alapuolella on taulukko 2, jossa esitellään tutkimuk- sessa ollutta keskeistä aineistoa.
Taulukko 2. Keskeisen aineiston esittelyä
Tekijät ja julkaisuvuosi Teoksen nimi Lyhyt kuvaus sisällöstä
Croman et al. 2016 On Scaling Decentralized Blockchains
Esittelee erilaisia skaalautuvuu- den ratkaisuehdotuksia ja nii-
den vaikutuksia
Hafid et al., 2020 Scaling Blockchains: A Compre- hensive Survey
Esittelee skaalautuvuuden rat- kaisuja, mutta keskittyy sirpa-
loimiseen
Sompolinsky ja Zohar, 2015; 2013
Secure High-Rate Transaction Pro- cessing in Bitcoin; Accelerating Bitcoin's Transaction Processing Fast Money Grows on Trees, Not
Chains
Lohkoketjuteknologian skaa- lautuvuus
Crosby et al., 2016 Blockchain technology: Beyond Bitcoin
Lohkoketjuteknologian perus- teet ja käyttökohteet myös fi-
nanssialan ulkopuolella Poon ja Dryja, 2016 The Bitcoin Lightning Network:
Scalable Off-Chain Instant
Salamaverkko innovaation esit- tely
3. LOHKOKETJUTEKNOLOGIA
Tässä luvussa käsitellään lohkoketjuteknologiaa ilmiönä yleisesti ja tutkitaan sen ra- kennetta. Alaluvussa 3.1 määritellään lohkoketjuteknologia ja esitellään sen ominaisuuksia. Seuraavassa alaluvussa 3.2 käsitellään lohkoketjuteknologian käyttöä fi- nanssialan ulkopuolella ja alaluvussa 3.3 esitellään Bitcoinin lohkoketjuteknologiaa.
Viimeisessä alaluvussa 3.4 esitellään Bitcoinin haasteita yleisellä tasolla. Luvun tarkoitus on saada lukijalle ymmärrys tutkimuksen kannalta oleellisista perusteista, jotta tutkimuksessa tehtyjä havaintoja ja tuloksia on helpompi ymmärtää.
3.1 Lohkoketjuteknologian määritelmä ja sen ominaisuudet
Lohkoketjuteknologia on nykypäivänä saavuttanut suuren yleisön huomion kryptovaluut- tojen suuren arvonnousun ja sitä seuranneen kohun kautta. Alkujaan lohkoketjuteknolo- gia esiteltiin jo kauan sitten Haberin ja Stornettan (2001) toimesta, mutta sai vasta kauan myöhemmin ensimmäisen merkittävän käyttökohteensa Satoshi Nakamoton kehit- tämässä kryptovaluutta Bitcoinissa (Nakamoto, 2008). Lohkoketjuteknologia toimii kryp- tovaluuttojen taustalla pitäen huolta esimerkiksi niiden oikeellisuudesta ja toimii ilman kolmannen osapuolen tarvetta. Lohkoketju tarjoaa ratkaisuja moniin digitalisen maail- man haasteisiin sen lukemattomien käyttömahdollisuuksien vuoksi. Tässä alaluvussa tullaan pintapuolisesti selittämään lohkoketjun rakenne ja sen toiminta teknisestä näkökulmasta.
Tiivistetysti lohkoketjuteknologia toimii vertaisverkon ylläpitämänä hajautettuna tietokan- tana, jonka sisältöä ei voi poistaa tai muuttaa (Strawn, 2019). Tarkemmin kuvattuna lohkoketju koostuu lohkoista, jotka sisältävät dataa. Nämä lohkot ovat ketjuuntuneet toisiinsa ja uudet lohkot tulevat kiinni edelliseen lohkoon. Tällä tavalla lohkoketju sisältää täyden tilikirjan aikaisempien transaktioiden historiasta. Tämän logiikan avulla ketjun paikkaansa pitävyys voidaan todentaa aina ensimmäiseen lohkoon (engl. Genesis block) saakka. (Nofer et al., 2017)
Kuva 2. Lohkoketjun rakenne, mukaillen (Zheng et al., 2018).
Yläpuolella oleva kuva 2 on tarkoitettu havainnollistamaan lohkoketjun rakennetta. Kuten kuvasta 2 näkyy, niin jokainen lohko sisältää aikaleiman, n määrän transaktioita, lohkolle yksilöllisen tiivisteen ja edellisen lohkon tiivisteen. Lohkossa olevien transaktioiden määrä vaihtelee lohkoketjuilla ja riippuvat pitkälti lohkokoista ja transaktioiden koista (Zheng et al., 2018). Transaktiot ovat uniikkeja jokaisessa lohkossa ja Bitcoinilla mar- raskuussa 2021 yksi lohko sisälsi keskiarvolta noin 1800 transaktiota (Blockchain.com, 2021). Transaktiot ovat käytännössä muotoa: Bitcoin lompakon osoitteesta A lähetetään X määrä Bitcoineja osoitteeseen B.
Bitcoinin sääntöjen mukaan uusi lohko louhitaan aina noin 10 minuutin välein, ja se si- sältää siihen mennessä tehtyjen transaktioiden tiedot. Ennen uuden lohkon kiinnittymistä perään, vertaisverkossa olevat solmut vahvistavat lohkot kryptografian avulla. Hyväksy- minen tapahtuu siten, että yli puolet vertaisverkossa kiinni olevista solmuista hyväksyvät transaktion. (Crosby et al., 2016) Tämän jälkeen todiste tapahtuneesta transaktiosta tal- lentuu hajautetuille solmuille turvallisuuden vuoksi. Tämä kaikki tapahtuu ilman kol- mannen osapuolen tarvetta, ja solmut valvovat transaktioiden oikeellisuutta lohkoketjun konsensussääntöjen mukaisesti. (Saberi et al., 2019)
3.2 Lohkoketjuteknologian käyttö finanssialan ulkopuolella
Lohkoketju on jatkuvasti kasvava ja nopeasti levittyvä teknologia tietotekniikan alalla (Kakkar et al., 2021). Nykyään lohkoketjuteknologiaa on alettu soveltamaan myös paljon muualla, esimerkiksi vakuutuksissa (Brophy, 2020), äänestämisessä (Larriba et al., 2021), toimitusketjuissa (Bhadoria et al., 2020; Saberi et al., 2019; Song et al., 2019) ja jopa ilmastonsuojelussa (Dorfleitner et al., 2021). Pääosin lohkoketjuteknologiaa
hyödynnetään vielä toistaiseksi kryptovaluutoissa ja muissa finanssialan sovelluksissa.
Merkittävimmät alat finanssialan ulkopuolella, joilla lohkoketjuteknologian sovelluksia odotetaan nähtävän liittyvät esineiden internettiin (IoT), energiaan, terveydenhuoltoon ja hallintoon (Abou Jaoude ja Saade, 2019). Tässä alaluvussa keskitytään Abou Jaouden ja Saaden (2019) mielestä kahteen merkittävimpään niistä eli esineiden internettiin ja energiaan sekä yhteen Crosby et al. (2016) uskomaan sovelluskohteeseen, joka on jul- kisena notaarina toimiminen.
Esineiden internetin alalla on ollut nykyteknologialla useita haasteita esimerkiksi kapa- siteetti rajoituksien, puutteellisen arkkitehtuurin, pilvipalveluista riippuvuuden ja manipu- laation herkkyyden vuoksi (Kshetri, 2017). Esineiden internetissä esimerkiksi te- ollisuuslaitteet ovat yhteydessä toisiinsa ja varsinkin teollisuudessa laitteiden keräämän datan perusteella pyritään optimoimaan niiden toimintaa. Lohkoketjuteknologia pystyy ratkaisemaan lukuisia ongelmia, joista muutamia ovat esimerkiksi transaktio datan tal- lentaminen lohkoihin ja kattavamman turvallisuuden tarjoaminen (Lao et al., 2020). Esin- eiden internetin ala olikin Abou Jaouden ja Saaden (2019) tutkimuksen mukaan mer- kittävin tulevaisuuden käyttökohde lohkoketjuteknologian sovelluksille.
Toinen ala, jonka uskotaan olevan yksi merkittävimmistä lohkoketjuteknologian sovelluk- sien kohteista, on energia (Abou Jaoude ja Saade, 2019). Energia lohkoketjun eli ener- giasektorilla käytettävän lohkoketjuteknologian sovelluksen uskotaan sen potentiaaliin luoda hajautettu, digitaalinen ja hiiletön energianhallinta systeemi (Teng et al., 2021).
Vielä tällä hetkellä kryptovaluutat tuottavat massiivisia määriä päästöjä louhimisen muodossa maailmaan (Li et al., 2019), mutta tässä kontekstissa lohkoketjuilla on täysin eri toimintaperiaate ja -tarkoitus kuin kryptovaluutoilla. Lohkoketjuteknologian sovellus- kohteeksi energia-alalla on ehdotettu täysin julkista ja hajautettua lähestymistä energian kaupankäyntiin. Energiaa tarjoavan jakajan näkökulmasta tämä tulisi vielä nykyisellä tutkimuksella todella kalliiksi, mutta asiaa ollaan jatkotutkimassa tulevaisuuden mer- kittävänä käyttökohteena. (Yagmur et al., 2021)
Lohkoketjuteknologia keksittiin alun perin dokumenttien luomis- ja muokkauspäivämää- rän seuraamista varten (Haber ja Stornetta, 2001) ja Crosby et al. (2016) ehdottama sovelluskohde nojaa osittain heidän luoman teknologian ominaisuuteen. Lohkoketjuja voidaan käyttää esimerkiksi dokumenttien aitouden todistamiseen ilman kolmannen osa- puolen tarvetta. Lohkoketjuteknologian soveltaminen julkisena notaarina auttaa doku- menttien omistajuuden, olemassaolon ja koskemattomuuden todistamisessa. (Crosby et al., 2016) Tämän mahdollistaa lohkoketjuteknologian ominaisuus, joka ei anna mah- dollisuutta sen lohkojen muuttamiseen jälkikäteen (Strawn, 2019). Tämä sovelluskohde ei kuulosta hankalalta toteuttaa, mutta siinä lienee parannettavaa tai tutkimisen saraa
edelleen, koska tämä ei ole vielä laajamittaisessa käytössä yrityksillä. Lohko- ketjuteknologian kehittyminen ja sitä kautta yleistyminen tulee luultavasti lähivuosina yleistymään suuressa mittakaavassa.
3.3 Lohkoketjuteknologian käyttö Bitcoinissa
Bitcoin ei sentään ollut ensimmäinen keksitty virtuaalivaluutta, mutta se oli ensimmäinen, joka onnistui ratkaisemaan edeltäjiensä virheet mahdollistaen digitalisen niukkuuden (Nakamoto, 2008). Sen lohkoketjuteknologia tarjoaa monia uusia mahdollisuuksia, joita ei perinteisien valuuttojen kanssa ole. Bitcoinissa positiivista huomiota ovat herättäneet sen ominaisuudet kuten nopeat transaktiot, matalat transaktiokustannukset ja anonyy- misyys (Atıcı, 2018). Lohkoketjuteknologian ominaisuudet vaihtelevat vähän sen käyt- tökohteesta riippuen ja tässä alaluvussa käydään läpi pintapuolisesti Bitcoinin lohko- ketjun ominaisuuksia.
Bitcoinilla on sen lohkoketjuteknologiassa omia sääntöjä ja pieniä eroavaisuuksia verrat- tuna lohkoketjuteknologian muihin sovelluskohteisiin. Toimintaperiaate on kuitenkin karkeasti sama eli lohkot sisältävät transaktioita, ja ne ovat linkittyneet toisiinsa sisältäen edellisen lohkon tiivisteen.
Bitcoinin tapauksessa konsensusalgoritmina on käytössä työntunniste (engl. Proof of Work), jonka esitteli alkujaan Nakamoto (2008). Kyseisessä algoritmissa tietokoneen on suoritettava haastavia matemaattisia yhtälöitä, joiden ratkaiseminen tapahtuu hajau- tusfunktion kautta (Bamakan et al., 2020). Tämä matemaattinen yhtälö on täysin satun- nainen ja haastava ratkaista. Sitä käytetään uusien lohkojen vahvistamista varten ja ki- innittämiseen edelliseen lohkoon kiinni. (Salimitari et al., 2020)
Bitcoinin toiminnan keskiössä olevaa matemaattisten yhtälöiden ratkaisemista kutsutaan louhinnaksi ja sitä suorittavia tahoja puolestaan louhijoiksi (Xu et al., 2020). Kun louhija saa ratkaistua matemaattisen yhtälön, niin syntyy uusi louhittu lohko, joka sisältää kaikki transaktiot, jotka olivat osana matemaattisia laskuja. Tämän jälkeen lohko lähetetään vertaisverkossa oleville solmuille ja Bitcoinin konsensusalgoritmin mukaan suuremman osan hyväksyessä lohkon, se kiinnittyy ketjuun. (Göbel et al., 2016) Pelkästään en- simmäisenä yhtälön ratkaissut louhija saa palkkion tekemästään työstä ja Bitcoinin ta- pauksessa se on lisää Bitcoineja ja sen lisäksi transaktion tekijän vapaaehtoinen siirto- maksu.
Bitcoin automaattisesti säätelee matemaattisten funktioiden haastavuutta niin, että kahden lohkon välinen intervalli on noin 10 minuuttia (Böhme et al., 2015; Dennis, 2019).
Koska Bitcoinien kysyntä ja siten arvo on noussut rajusti vuosien saatossa, on myös
louhinnan tarjonta kasvanut. Kasvanut louhinnan tarjonta on vaikuttanut matemaattisten funktioiden vaikeutumiseen, joka taas on johtanut tilanteeseen, jossa louhijoiden kilpail- lessa keskenään, he yrittävät kerryttää massiivisia määriä laskentatehoa tietokoneisi- insa. Kuten aikaisemmin mainittiin, niin ainoastaan ensimmäisenä konsensusalgoritmin oikein ratkaissut louhija saa siitä palkkion ja muiden tekemä työ menee täten hukkaan.
Kaiken kaikkiaan Bitcoinin louhintaan menee valtavia määriä energiaa (Li et al., 2019), joka on Bitcoinin käytön kannalta yksi sen haasteista.
Toisinaan on mahdollista, että kaksi louhijaa saavat ratkaistua työntunniste konsensusal- goritmin yhdenaikaisesti, jolloin syntyy väliaikaisesti kaksi lohkoa kiinni edelliseen loh- koon eli haarauma. Vertaisverkossa kiinni olevat solmut eivät tällöin hyväksy kumpaakaan näistä lohkoista toistaiseksi. Bitcoinin järjestelmä ratkaisee tilanteen vah- vistamalla pisimmän ketjun eli sen, jolla on suurempi työntodiste. Tämä tapahtuu, kun toiseen haarauman ketjuista liittyy uusi lohko ja pois jäänyt lohko kytkeytyy pois ja siitä tulee niin kutsuttu orpolohko. Orpolohkon transaktiot päälle kirjataan ja ne päätyvät takai- sin louhijoille odottamaan pääsyä uuteen lohkoon. (Decker ja Wattenhofer, 2013)
3.4 Bitcoinin haasteet ja rajoitteet yleisesti
Bitcoinilla on yleisellä tasolla monia haasteita, jotka rajoittavat sen käyttöä. Niitä voidaan jaotella karkeasti esimerkiksi teknisiin, hallinnollisiin, yksityisyyden ja julkikuvan aiheut- tamiin haasteisiin. Teknisiä haasteita on eniten ja ne tuottavat Bitcoinin toiminnalliselle puolelle ongelmia, kun taas hallinnolliset, yksityisyydelliset ja julkikuvan haasteet vaikuttavat Bitcoinin maineeseen. (Swan, 2015) Tässä alaluvussa esitellään pintapuolis- esti Bitcoinin kannalta kahta merkityksellisintä niistä eli teknisiä ja hallinnollisia haasteita.
Seuraava luku keskittyy pelkästään yhteen tekniseen haasteeseen, joka on skaalau- tuvuus.
Bitcoinin teknisen ja sitä kautta funktionaalisen puolen toimivuus on todennäköisesti kaikkein tärkein Bitcoinille, koska jos sen toimivuudessa havaitaan suuria puutoksia, voi sen arvo romahtaa tai kadota kokonaan. Teknisiä haasteita Bitcoinilla on muun muassa suoritusteho, latenssi, lohkokoko, turvallisuus, hukatut resurssit ja käytettävyys (Swan, 2015). Näistä kolme ensimmäistä vaikuttavat Bitcoinin skaalautuvuuteen ja niihin syven- nytään luvussa 4.
Hukatut resurssit ovat yksi haaste, joka saattaa vaikuttaa Bitcoinin käyttäjiin eettisessä mielessä, koska louhimisen yhteydessä menee paljon energiaa hukkaan. Bitcoinin ai- heuttama rasitus maapallolle on todellisuudessa vielä isompi kuin pelkkään louhimiseen kuluva energia, koska louhijat päivittävät koneitaan arviolta vähän reilu vuoden välein
vanhojen toimivien tilalle (de Vries ja Stoll, 2021). Tämä tehdään, jotta tietokoneilla olisi mahdollisimman paljon laskentatehoa louhintapalkkioiden saamiseksi. Cambridgen Bitcoinin energian kulutus indeksin (CBECI) mukaan pelkkä Bitcoin-verkon ylläpito kulutti energiaa joulukuussa 2021 noin 123 TWh/vuosi verran. Kulutus indeksin graafissa on koko ajan jyrkkenevä käyrä ja se muistuttaa enemmän eksponentiaalista kuin lineaarista nousua. (CCAF, 2021) Vertailukohteeksi esimerkiksi koko Suomen energiankulutus vuonna oli 2020 81,1 TWh (Tilastokeskus, 2021). Louhimiseen sekä siihen kuluvien tarvikkeiden ja komponenttien rasitus maapallolle on merkittävä ja kasvaa koko ajan kryptovaluuttojen käytön suosion myötä. Bitir-Istrate et al. (2021) mukaan vähintään puo- let käytettävästä energiasta kryptovaluuttojen louhintafarmeilla pitäisi tulla puhtaista ja uusiutuvista energialähteistä ja sitä varten pitäisi tulla regulaatiota viranomaisilta. Tämä on yksi ehdotettu ratkaisu keventämään kryptovaluuttojen tuottamaa hiilijalanjälkeä.
Hallinnollisen haasteen voi ajatella olevan sidoksissa regulaatioon ja lakiin. Bitcoinin ominaisia piirteitä on avoimuus, hajautuneisuus ja reguloimaton luonne (Matei ja Baks, 2019). Yleisesti Bitcoinin yksi parhaista ominaisuuksista onkin ollut sen ulottumattomuus valtioiden keskuspankkien käsistä ja se, että sitä ei ole käytetty rahapolitiikan välineenä.
Bitcoinin käyttö on todennäköisesti saanut lisää nostetta viime vuosien holtittoman ra- hapolitiikan seurauksena. Hajautettu luonne on johtanut siihen, että Bitcoinilla ei ole keskitettyjä tarkastusmenettelyjä ja sen lisäksi Bitcoinia käytettäessä ei ole pakko käyt- tää oikeaa nimeään (Böhme et al., 2015). Fauzin et al. (2020) mukaan nämä kaksi tekijää ovat johtaneet Bitcoinin suosioon rikollisten keskuudessa. On tapauksia, joissa krypto- valuuttoja on käytetty laittomaan toimintaan kuten mustan pörssin tapahtumiin ja rahan- pesuun (Matei ja Baks, 2019).
4. BITCOININ SKAALAUTUVUUDEN KESKEISET ONGELMAT
Tässä luvussa tarkastellaan Bitcoinin lohkoketjuteknologian teknisistä haasteista ehkä keskeisintä eli skaalautuvuutta. Luvun tarkoituksena on selventää lukijalle Bitcoinin skaalautuvuuteen vaikuttavat tekijät ja lohkoketjun ominaisuudet, jotta seuraavassa luvussa selitetyt ratkaisuehdotukset olisi helpompi ymmärtää. Ensimmäisessä ala- luvussa 4.1 on tarkoitus johdatella lukija käsiteltävään aiheeseen taustan ja pinta- puolisen teorian kautta. Alaluvussa 4.2 tutkitaan Bitcoinin lohkoketjun suorituskykyä ja siihen vaikuttavia tekijöitä. Viimeisessä alaluvussa 4.3 tarkastellaan lohkoketjun lohkojen kokoa ja koon muuttamisen vaikutuksia Bitcoiniin.
4.1 Bitcoinin skaalautuvuudesta yleisesti
Skaalautuvuuden ongelmaa ei ollut vielä alkuun, kun Bitcoin keksittiin, koska transakti- oita oli paljon vähemmän. Erityisesti Bitcoinin käytön kasvun myötä perustavanlaatuinen ongelma skaalautuvuus, on noussut esiin (Dennis, 2019). Bitcoinin skaalautuvuuson- gelma viittaa sen rajalliseen kykyyn käsitellä suuria määriä transaktioita lyhyellä aikavä- lillä (Chohan, 2019). Tällä hetkellä Bitcoin pystyy suorittamaan maksimissaan seitsemän transaktiota sekunnissa (Khan et al., 2021), joka ei ole vielä lähelläkään niin suuri kuin luottokorttiyhtiöillä. Jotta Bitcoinia voisi ottaa laajemmin käyttöön, sen skaalautuvuutta on parannettava.
Bitcoinin lohkoketjuteknologian skaalautuvuuden puutteellisuuteen on ehdotettu konsen- susalgoritmin vaihtamista työntunnisteesta moniin vaihtoehtoisiin (Hafid et al., 2020; Hari et al., 2019), mutta se olisi mennyt tehtyjen rajauksien ulkopuolelle. Kandidaatintyön ra- jauksiin kuuluu, että tutkimuksessa tarkastellaan on- tai off-chain ratkaisuja eli tutkimuksen näkökulmasta konsensussäännöt pysyvät muuttamattomina.
Sompolinskyn ja Zoharin (2015) mielestä yksi pääongelmista Bitcoinin käytön kannalta on sen skaalaaminen suurempiin transaktiomääriin. Skaalautuvuus ei kuitenkaan ole yk- sinään pääongelma lohkoketjuille vaan koostuu useista pienemmistä ongelmista (Poon ja Dryja, 2016), joita ovat esimerkiksi tässä kandidaatintyössä tarkasteltavat Bitcoinin lohkokoko ja suorituskyky eli transaktiokapasiteetti ja verkon latenssi (Croman et al., 2016). Näihin tarkennumme seuraavissa alaluvuissa.
Kuva 3. Bitcoinin skaalautuvuuden trilemma, mukaillen (Hafid et al. 2020).
Yllä olevassa kuvassa 3 on esitetty lohkoketjujen skaalautuvuuden trilemma. Se on ylei- sesti tuttu ilmiö, jonka kuvaili ensimmäistä kertaa yksi kryptovaluutta Ethereumin perus- tajista nimeltä Vitalik Buterin (coinmarketcap, n.d.). Vitalikin mukaan trilemmassa on mahdollista valita ainoastaan kaksi tekijää alla olevasta kuvasta eli skaalautuvuudesta, hajautuneisuudesta tai turvallisuudesta. Tämä trilemma on yleinen haaste, johon törmätään usein, kun pyritään skaalaamaan Bitcoinia.
4.2 Bitcoinin suorituskyky
Bitcoinin suorituskyvyn voi jakaa kahteen tekijään eli suoritustehoon ja latenssiin. Suori- tusteholla tarkoitetaan tehokkuutta, jolla lohkoketju voi varmistaa transaktioita. (Croman et al., 2016; Hafid et al., 2020) Tätä maksimaalista tehokkuutta rajoittaa lohkojen suurin mahdollinen koko sekä lohkojen välinen aikaväli (Croman et al., 2016). Sompolinsky ja Zohar (2013) toteavat sen olevan naiivia, että suoritustehoa voitaisiin parantaa nosta- malla lohkojen kokoa ja nopeuttamalla lohkojen syntymistä. Heidän mukaansa se johtaisi turvallisuuden heikkenemiseen systeemissä ja pidempiin odotusaikoihin transaktioiden varmentamisessa. Eli toisin sanoen tämä johtaisi osittain täysin käänteisiin loppu- tuloksiin, mitä alun perin pyrittiin parantamaan.
Latenssi tarkoittaa aikaa, joka kuluu siihen, että transaktio on vahvistettu (Croman et al.
2016). Käytännössä transaktio tulee vahvistetuksi sitten, kun se sisällytettynä lohkoon ja lohko on kiinnittynyt ketjuun. Tähän kuluu karkeasti 10 minuuttia ja sitä käytetään yleis- esti kuvaamaan Bitcoinin latenssia, vaikka lähes kaikki Bitcoinin vaihdannan alustat vaa- tivat useamman kuin vain yhden hyväksynnän. Jos palveluntarjoaja vaatii esimerkiksi 4 vahvistusta, niin latenssi on tuolloin keskimäärin noin 40 minuuttia. Lohkoketjun latenssin parantamiseksi voisi Croman et al. (2016) mukaan yksinkertaisesti vähentää aikaa loh- kojen kiinnittymisen välillä. Jos samalla haluaisi kuitenkin ylläpitää korkeaa suori- tustehoa, niin lohkojen kokoa pitäisi vähentää.
4.3 Bitcoinin lohkokoko
Bitcoinin kohdalla lohkokokojen kasvattaminen tarkoittaa käytännössä sitä, että lohkot sisältäisivät enemmän transaktioita. Tällä hetkellä Bitcoinin lohkokoko rajoittaa sen skaa- lautuvuutta. Yhden megabitin lohkokoolla on mahdollista saavuttaa maksimissaan seit- semän transaktiota sekunnissa (Poon ja Dryja, 2016). Tämä yhden megabitin lohkokoko tarkoitti marraskuussa 2021 keskiarvolta noin 1800 transaktiota lohkoa kohden (Blockchain.com, 2021).
Hafid et al. (2020) sekä Decker ja Wattenhofer,(2013) toteavat, että suuremmat lohko- koot johtavat viivästyksiin lohkojen levittämisessä vertaisverkossa. Hafid et al. (2020) pohtivat asiaa pidemmälle todeten sen puolestaan todennäköisesti johtavan ei-hyväk- syttäviin viivästyksiin uusien lohkojen syntymisessä. Sen lisäksi Decker ja Wattenhofer (2013) toteavat suurempien lohkojen johtavan tilanteeseen, jossa ketjuun syntyy en- emmän haaroja. Croman et al. (2016) puolestaan toteavat, että Bitcoinin nykyisellä 10 minuutin louhintatahdilla, lohkon maksimikoko ei saisi ylittää neljän megabitin kokoa, joka tarkoittaa arviolta 27 transaktiota sekunnissa. Back et al. (2014) toteavat lohkokoon kasvattamisen olevan kompromissia skaalautuvuuden ja hajautuneisuuden välillä.
Heidän mukaansa lohkokoon kasvattaminen johtaisi transaktiotehon paranemiseen, mutta samalla verifioijien työmäärä kasvaisi, joka on riski keskittymän kannalta.
Bitcoinin yhteisön keskuudessa on ollut paljon keskustelua, pitäisikö Bitcoinin kasvattaa sen lohkojen kokoa nykyisestä yhdestä megabitistä. Keskustelu kärjistyi vuonna 2017 ja lopputuloksena syntyi uusi kryptovaluutta Bitcoin Cash, jonka lohkokoko on kahdeksan megabittiä suuremman transaktiomäärän käsittelemistä varten (Kwon et al., 2019). Yksi syy suuremmalle lohkokoolle on, että se nostaa kryptovaluutan suorituskykyä ja tällä ta- valla vähentää transaktiokuluja (Hafid et al., 2020). Bitcoin Cash on Bitcoinin tavoin ver- taisverkossa toimiva sähköinen valuutta (BitcoinCash, 2017) ja se on ominaisuuksiltaan ja menettelyiltään hyvin pitkälti Bitcoinin tapainen. Tämän mahdollisti se, että Bitcoin on avoimeen lähdekoodiin pohjautuva kryptovaluutta.
5. BITCOININ SKAALAUTUVUUDEN RATKAISUT
Edellisessä luvussa esiteltiin Bitcoinin skaalautuvuuden ongelmia ja niiden perusteella voi ymmärtää, miksi yksiselitteisiä ratkaisuja on vaikea keksiä. Tämän luvun tarkoitus on selittää ehdotettuja ratkaisuja Bitcoinin skaalautuvuusongelmaan ja pohtia, miten joiden- kin ratkaisujen toteuttaminen saattaa vaikuttaa toisiin tekijöihin. Ensimmäisessä ala- luvussa 5.1 esitellään tässä kandidaatintyössä tarkasteltavat ratkaisuehdotukset ja ni- iden tyypit. Seuraavassa alaluvussa 5.2 tarkastellaan on-chain ratkaisuista tarkemmin sivuketjuja ja sirpalointia. Alaluvussa 5.3 tarkastellaan off-chain ratkaisuista tarkemmin salamaverkkoa.
5.1 Ratkaisuista yleisesti
Bitcoinin skaalautuvuuteen on ehdotettu monia erilaisia ratkaisuja ja niitä voidaan jakaa kategorioihin niiden luonteen perusteella. Tässä kandidaatintyössä keskitytään kuitenkin kahteen tunnetuimpaan kategoriaan ja niiden ratkaisuihin eli on- ja off-chain ratkaisuihin (Zhou et al., 2016; Kim ja Kim, 2021). Tämän alaluvun tarkoitus on esitellä kategoriat lukijalle taulukon avulla, jotta ne on helpompi ymmärtää ja luokitella niiden ominaisuuksien mukaan. Seuraavien alalukujen tarkoitus on sitten yksityiskohtaisemmin selittää tiettyä ehdotettua ratkaisua skaalautuvuusongelmaan.
Taulukko 3. Skaalautuvuusongelman ratkaisuehdotukset Kimin ja Kimin (2021) artikke- lia mukaillen.
Ratkaisuehdotus On-chain Off-chain
Suurempi lohkokoko Pirstalointi Salamaverkko
Ratkaisu Lohkojen koon suu- rentaminen
Lohkon jakaminen pienempiin osiin
Siirtäisi mikrotransaktiot pääketjun ulkopuolelle
Ongelma
Orpolohkojen synty- minen ja lohkojen jakamisen kankeus
Turvallisuusriski Hankkeen luotettavuuden puute
Yllä olevassa taulukossa 3 on esitelty yleisesti skaalautuvuusongelman ratkaisuja ja myös ratkaisuun liittyviä ongelmia. On olemassa muitakin kategorioita ratkaisuille kuten child-chain ja inter-chain menetelmät (Kim ja Kim, 2021), mutta ne menevät työn rajauk- sien ulkopuolelle.
5.2 On-chain ratkaisuehdotukset
On-chain ratkaisut keskittyvät pääketjun lohkojen rakenteen suunnitteluun, konsensusal- goritmiin ja pääketjun rakenteeseen. (Zhou et al., 2020) Tässä alaluvussa tarkastellaan kahta on-chain ratkaisuehdotusta, joita ovat sivuketjut ja sirpalointi.
Sivuketju on hajautettu vertaisverkosto arvon siirtämiselle, joka ei tarvitse kolmatta osa- puolta valvomaan transaktioita (Hueber, 2018). Sivuketjun tarkoitus on yhdistää useita lohkoketjuja keskenään ja se on oma lohkoketju, joka on niin sanotusti sidottu päälohko- ketjuun kiinni. Sivuketju mahdollistaa keskeisen tiedon siirtämisen pääketjusta toiseen.
(Bouoiyour et al., 2019) Tämä vähentäisi Bitcoinin pääketjun taakkaa, koska osa transaktioista tapahtuisi pääketjun ulkopuolella. De Kruijffin ja Weigandin (2017) mukaan sivuketjujen lisäarvo syntyy siitä, kun sivuketjuihin pystyy tallettamaan dataa, jota ei ha- luta tallettaa pääketjuun. Heidän mukaansa tämä saattaa johtaa nopeampaan transaktionopeuteen, kun käytetään pääketjun ennalta louhittuja osoitteita.
Yhtenä etuna sivuketjuissa Bouoiyour et al. (2019) mainitsevat sen mahdollisuutena no- peuttaa rahan kiertoa lyhentämällä lohkojen verifioimiseen kuluvaa aikaa. Heidän muk- aansa sivuketjun avulla mikä tahansa transaktio voidaan suorittaa jopa muutamissa min- uuteissa. Croman et al. (2016) kuitenkin toteavat, että transaktiot, joissa on osallisena enemmän kuin yksi hajautettu sivuketju, voivat johtaa korkeaan latenssiin. Bouoiyour et al. (2019) myöhemmin huomauttavat sivuketjujen olevan ratkaisu transaktioiden toteu- tumiseen nopeammin, mutta että se ei auta lohkojen verifioimisen kuluvaa aikaa. Tämä on yksi sivuketjujen isoimmista haasteista.
Sivuketjujen yhtenä haasteena sen, että jos sivuketjut otetaan laajasti käyttöön, niin to- dennäköisyys arvon lähtemisosoitteen ja loppuosoitteen löytymiselle samasta sivuket- justa ovat pienet. Sivuketjujen väliset transaktiot menisivät pääketjun kautta, joka mah- dollisesti vaatisi kaksi erillistä transaktiota. (Croman et al., 2016) Tämä kuormittaisi pääketjua entistä enemmän ja sivuketjuilla olisi siten negatiivinen vaikutus skaalau- tuvuuteen. Haasteena on, että missä määrin sivuketjuja voisi alkaa hyödyntämään Bitcoinissa.
Sirpalointi (engl. Sharding) on yksi mahdollinen ratkaisu skaalautuvuusongelmaan ja tek- niikassa on kyse konsensustehtävien pienentämisestä osiin ja jakamalla ne eri solmu- ryhmien tehtäväksi, tavoitteena parantaa suoritustehoa sekä vähentää yhdelle solmulle kohdistuvaa prosessointia ja varastoinnin vaatimuksia (Croman et al., 2016). Hafid et al.
(2020) näkevät sirpaloinnin olevan kaikista lupaavin ratkaisu lohkoketjujen skaalautu- vuusongelmaan ja heidän mukaansa tämä mahdollistaisi verkoston skaalautuvan sirpa- leiden lukumäärän mukaan, joka johtaisi suoritustehon ja varastoinnin tehostumiseen.
Hafid et al. (2020) mukaan tämä on yksi lupaavimmista skaalautuvuuden ratkaisuista, koska verkoston osajoukot työskentelisivät eri transaktiojoukon kanssa mieluummin kuin että koko vertaisverkosto työskentelisi samojen transaktioiden kanssa.
Sirpaloimiseen liittyy muun muassa ongelma siitä, että jokaisen osajoukon ei voida tietää olevan luotettavia (Cai et al., 2018). Osajoukoissa transaktioiden verifioinnit tapahtuisivat myös enemmistöperiaatteella, ja osajoukoissa olisi ilkivaltaisten helpompi saavuttaa enemmistö. Tämä johtaisi Wang et al. (2019) mukaan tilanteeseen, jossa olisi haastavaa varmistaa transaktioiden toteutuminen koko verkossa vain kerran. Jos tilanne epäonnis- tuttaisiin estämään, mahdollistaisi se tuplakuluttamisen ja Bitcoinin luotettavuuden las- kuun. Koska lohkoketjun tehtäviä on sirpaloinnissa jaettu pienempiin osiin, niin se tekee kokonaisuuden valvomisesta haastavampaa ja aiheuttaa pienen turvallisuusriksin. Hafid et al. (2020) mukaan verkko vaarantuu, jos edes yksi osajoukko on vaarantunut, joten huoli turvallisuusriskistä on aiheellinen.
Isot sirpaleet eivät ole skaalautuvia, koska koko verkosto käyttää samaa konsensusme- netelmää ja pienet sirpaleet eivät ole skaalautuvia, koska siitä seuraisi todella suuri sir- paleiden määrä (Khan et al., 2021). Tilanteessa on löydettävä keskitie ja tehtävä komp- romisseja moneen suuntaan. Sen lisäksi sirpalointi-pohjaiset ratkaisut lohkoketjussa te- kevät kompromisseja suoritustehon skaalautuvuuden, varastoinnin tehokkuuden ja tur- vallisuuden välillä (Lin et al., 2021). Tässä palataan aiemmin esitetyn skaalautuvuuden trilemman kaltaiseen tilanteeseen, jossa on tehtävä kompromisseja pääosin kolmen eri tekijän kanssa.
5.3 Off-chain ratkaisuehdotukset
Off-chain ratkaisut keskittyvät metodien ja lisäjärjestelmien kehittämiseen, jotka helpot- taisivat pääketjun taakkaa. Esimerkkinä on joidenkin transaktioiden suorittaminen pääketjun ulkopuolella tai siirtämällä osa vaativista matemaattisista tehtävistä pääketjun ulkopuoliselle alustalle. (Zhou et al., 2020)
Bitcoinin käyttö on muiden hyvien puolien lisäksi ollut tunnetusti edullista. Louhijat saavat Bitcoinin toimintaperiaatteen mukaisesti louhintapalkkion ja transaktion tehneen asetta- man vapaaehtoisen siirtomaksun. Siirtomaksujen käyttö ovat hyvin yleisiä, koska louhijat pystyvät priorisoimaan transaktioita siirtomaksun suuruuden pohjalta. Tämän avulla on mahdollista nopeuttaa hieman transaktionsa toteutumista. Kun siirrytään kuitenkin pienempi arvoisiin transaktioihin, niin Bitcoinin transaktioiden käytännöllisyys ja tehok- kuus laskevat muun muassa juuri siirtomaksun takia. Poon ja Dryjan (2016) innovaatio salamaverkko (engl. Lightning Network) on yksi ratkaisu helpottamaan skaalautuvuuden
ongelmaa ja keskittyy nimenomaan mikrotransaktioihin. Se on maksukanava, joka on rakennettu Bitcoinin päälle (Zhao et al., 2021) ja se helpottaisi pääketjun taakka, kun mikromaksut siirrettäisiin omaan kanavaansa pois pääketjusta.
Poon ja Dryjan (2016) salamaverkon ideana on se, että kaksi osapuolta voivat järjestää pääketjun ulkopuolisen suhteen, jossa jatkuvasti päivitetään osapuolten saldoja molempiin suuntiin. Käyttäjien turvallisuuden takaamiseksi, tarkempi katteen jakauma osapuolien välillä on luottamuksellista tietoa (Zhao et al., 2021). Salamaverkon ydintar- koitus on välttää jokaisen transaktion suorittamista pääketjun kautta perinteisten Bitcoin- transaktioiden tapaan. Tämä vähentää pääketjuun kohdistuvaa rasitusta huomattavasti ja on yksi mahdollinen ominaisuus, joka voisi auttaa selvittämään Bitcoinin skaalau- tuvuusongelmaa.
Chauhan et al. (2018) mukaan kaikista huolestuttavin ongelma salamaverkon käyttöön- otossa on kuitenkin se, että transaktioita verifioidaan pääketjun ulkopuolella. Menettely rikkoo lohkoketjuteknologian yhtä perustavanlaatuista ominaisuutta, jossa jokainen transaktio verifioidaan ennalta sovittujen sääntöjen mukaan (Chauhan et al., 2018).
Tämä voisi johtaa turvallisuusriskeihin. Kiayiasin ja Litosin (2020) mukaan kuitenkin sal- amaverkkoa voisi soveltaa rinnakkain toisten vastaavanlaisten säännöstöjen kanssa, jol- loin sen turvallisuutta ei tarvitsisi uudestaan parantaa. Tämän mukaan turvallisuushuolen ei pitäisi olla esteenä salamaverkon käyttöönotolle, mutta vaikuttaa sen tehokkuuteen, jos salamaverkon avuksi on rakennettava jokin toinen säännöstö, joka valvoo turval- lisuutta.
Sen lisäksi salamaverkolla on sen käytössä muita haasteellisia ominaisuuksia, kuten yhteyden avaaminen ja sulkeminen kahden osapuolen välillä. Nämä kirjataan Bitcoinin pääketjuun, joka vaatii aikaa ja transaktiokustannuksia. (Chauhan et al., 2018) Tämän myötä salamaverkossa kertaluonteisten transaktioiden latenssista tulee lineaarisia ver- kon todellisen viiveen kanssa (Kiayias ja Litos, 2020). Kun yhteys on lopulta muodostettu kahden osapuolen välillä, niin sen jälkeen maksut toteutuvat käytännössä välittömästi (Hafid et al., 2020). Salamaverkolla on piirteitä, jotka tekevät sen käytöstä jossain määrin epäkäytännöllistä, mutta tässä tapauksessa salamaverkosta saatavat hyödyt riippuvat osapuolten välillä käytävien transaktioiden määrästä. Mitä enemmän transaktioita kahden osapuolen välillä olisi, niin sitä suurempi hyöty salamaverkosta on.
Salamaverkko on kaiken kaikkiaan laajimmin käytössä oleva ratkaisu skaalautuvuu- songelmaan ja se vaikuttaa jo nyt lohkoketjuissa kuten esimerkiksi Bitcoinissa (Tikho- mirov et al., 2020). Salamaverkko ei ole kuitenkaan vielä päivittäisen käytön väline, sillä
muun muassa Malavolta et al. (2018, 2017) ovat löytäneet siitä turvallisuuden, anonyy- misyyden ja skaalautuvuuden rajoituksia.
6. JOHTOPÄÄTÖKSET
6.1 Tutkimuksen tulosten esittely
Bitcoinin skaalautuvuuden parantamiseen ei ole vielä saatu yksiselitteistä ratkaisua. Mo- net skaalautuvuuteen vaikuttavat tekijät vaikuttavat keskenään toisiinsa, mikä tekee rat- kaisun löytämisestä vaikeampaa. Myös jotkin ehdotetut ratkaisut aiheuttavat uusia ongelmia skaalautuvuudelle. Tähän liittyy osittain aiemmin kandidaatintyössä esitelty skaalautuvuuden trilemma.
Bitcoinin skaalautuvuuden parantamisesta tekee hyvin hankalaa se, että jos suori- tuskykyä halutaan nostaa, sen nykyiset ratkaisuehdotukset ja -menetelmät johtaisivat turvallisuuden ja hajautuneisuuden karsimiseen. Tähän saakka Bitcoinin käytön suuria etuja yleisesti on ollut lohkoketjun tuoma turva transaktioihin ja hajautettu luonne eli se, että kukaan kolmas osapuoli ei säätele Bitcoinin arvoa, käyttötapoja tai sääntöjä.
Kandidaatintyössä tutkittiin, mitkä voisivat olla mahdollisia ratkaisuja skaalautuvuuden ongelmaan Bitcoinin käytössä. Tutkimusta varten kerättiin runsaasti tieteellistä aineistoa ja muodostettiin sen pohjalta käsitys tämän hetken tilanteesta. Aineistoa kerättiin Bitcoinista, sen lohkoketjuteknologiasta, skaalautuvuuden haasteista ja mahdollisista ratkaisuista skaalautuvuuden parantamiseen.
Kuva 4. Bitcoinin skaalautuvuusongelman ratkaisuehdotusten vaikutukset
Kuvassa 4 on esitetty kandidaatintyön tulokset eli on tarkasteltu skaalautuvuuden ratkai- suehdotuksia sekä niiden hyviä ja huonoja puolia. Kuvassa punaiset nuolet tarkoittavat ratkaisuehdotuksen aiheuttavan negatiivisia lopputuloksia ja vihreät nuolet tarkoittavat ratkaisuehdotuksen aiheuttavan positiivisia lopputuloksia.
Keskeisiä Bitcoinin skaalautuvuuden ongelmia on tutkittu luvussa 4 ja ratkaisuehdotuk- sia siihen luvussa 5. Tutkimuksessa havaittiin myös, että yksi Bitcoinin skaalautuvuutta rajoittava tekijä on sen konsensusalgoritmi työntunniste, joka asettaa rajoitteita ja sään- töjä lohkoketjulle ja sen verifioimiselle. Kandidaatintyön alussa tehtyjen rajauksien pe- rusteella aihetta ei tutkittu tarkemmin.
Skaalautuvuusongelman ratkaiseminen sivuketjuilla, sirpaloinnilla tai salamaverkolla mahdollistaisi Bitcoinin skaalaamisen suurempiin transaktiomääriin. Erityisesti sala- maverkko on keskittynyt mikromaksujen suorittamiseen ja voi olla yksi merkittävimmistä innovaatioista Bitcoinin yleisyydelle yksilötasolla. Vielä tällä hetkellä pienempien transaktioiden suorittaminen Bitcoinilla on hieman tehotonta, joten tässä työssä tutkit- tujen ratkaisujen myötä Bitcoinin käyttöä voisi tehostaa. Tämä tarkoittaisi Bitcoinin käytön yleistymistä kuluttajatasolla ja pienempien arvonsiirtojen mahdollistamista.
Skaalautuvuuden ongelma on noussut viime vuosien aikana pinnalle, ja Bitcoinin harvat päivitykset tekevät ratkaisujen käyttöönotosta todella harkittuja ja niiden onnistumisesta kriittisiä. Koska skaalautuvuusongelma on suhteellisen tuore ilmiö Bitcoinilla, niin tarvi- taan vielä paljon tutkimusta aiheesta. Jotta Bitcoinia voisi alkaa käyttää yhä laajemmin ja arkipäiväisissä maksuissa, niin skaalautuvuusongelma on ratkaistava sitä ennen.
6.2 Tutkimuksen arviointi
Tämä kandidaatintyö laadittiin kirjallisuuskatsauksen muodossa eli tarkoituksena oli kerätä aineistoa aiheesta ennalta laadittujen kriteerien mukaan, tutustua aineistoon ja perehtymisen jälkeen muodostaa dokumentoitu tulos. Annettujen ohjeiden valossa kan- didaatintyö onnistui mielestäni kaiken kaikkiaan todella hyvin. Yllätyin positiivisesti siitä, kuinka paljon aineistoa ehdittiin käymään läpi tutkimuksen aikana ja muodostamaan sen pohjalta kokonaiskuvan aiheesta. Toivon tämän välittyneen tutkimuksesta lukijalle.
Tutkimuksen selkeästi haastavin asia oli se, että aihe piti tiivistää todella lyhyeen pitu- uteen. Tiivistämisestä teki erityisen hankalaa sen, että asia tuli pyrkiä kirjoittamaan niin, että tutkimuksesta saisi tieteellistä hyötyä, mutta myös niin, että asiaan perehtymätön ymmärtäisi tutkimuksen sekä sen tulokset. Asiaa meinasi ajoittain tulla kerta kaikkiaan liikaa ja toinen haaste työn aikana oli se, kun oli perehtynyt useampaan julkaisuun ja
suuren määrän aineistoa. Tämän jälkeen oli hankala yrittää kirjoittaa asiaa näkökul- masta, jossa aihe ei ollut tuttu tai ei ollut perehtynyt aiheeseen ennestään. Toivon kui- tenkin tutkimuksen tavoittaneen niin aiheelle tuntemattoman kuin aiheeseen jonkin ver- ran perehtyneen lukijan.
Toinen tutkimuksen aikana vaikuttanut pieni haaste oli joidenkin termien käännökset.
Ajoittain, kun perehdyin johonkin osa-alueeseen aluksi lukemalla ilmiöstä suomeksi, niin huomasi, että kaikille sanoille ei ole varsinaisia suomennoksia. Suomennokset saattoivat jopa hieman vaihdella lähteistä riippuen. Tiettyjen käännösten valitseminen kuitenkin alkoi nopeuttaa aineiston läpikäyntiä ja kääntämistä, joten asia ei ehtinyt muodostua suu- reksi haasteeksi.
Tämän kandidaatintyön tutkimusosuus on analysoinut tutkittavaa aihetta ja yhdistellyt eri lähteiden löydöksiä valitun aineiston pohjalta. Tutkimus onnistui kokonaisuudessaan hyvin eikä sen aikana ilmennyt esteitä tutkimuksen teolle. Aihe oli haastava kevyellä pohjatiedolla, mutta tutkimuksen aikana oppi paljon uutta. Tutkielma täydentää niukkaa suomenkielistä tieteellistä aineistoa Bitcoinin skaalautuvuudesta ja sen ratkaisuehdotuk- sista.
6.3 Jatkotutkimusehdotukset
Tämän kandidaatintyön perusteella voidaan ehdottaa seuraavanlaisia jatkotutkimuse- hdotuksia:
Tarvitaan tarkempaa teknistä tutkimusta vaihtoehtoisten konsensussääntöjen käytöstä Bitcoinissa, jotta voitaisiin mahdollisesti soveltaa useampia ehdotuksia skaalautuvuuden ratkaisemiseksi. Työntunniste on todella kuormittava menetelmä ja konsensussääntöjen tekniikka on kehittynyt paljon, joten voisi olla ajankohtaista alkaa pohtia uutta konsen- susalgoritmia transaktioiden verifioimiseksi.
Toinen jatkotutkimusehdotus on alkaa tarkastella useampien ratkaisujen vaikutus sa- maan aikaan käytettynä. Skaalautuvuusongelman ratkaisuilla on tapana ratkaista jokin ongelma ja samalla luoda uusi erilainen ongelma. Useamman ratkaisuehdotuksen käyt- täminen yhdenaikaisesti voisi kumota tai pienentää ratkaisujen sivuvaikutukset epäolen- naisen pieniksi.
LÄHTEET
Abou Jaoude, J., & Saade, R. G. (2019). Blockchain applications–usage in different do- mains. IEEE Access, 7, 45360-45381.
Atıcı. (2018). Bitcoin and Blockchain: A Threat or Opportunity for the Financial Sys- tem. European Journal of Economics and Business Studies, 4(3), 95–101.
https://doi.org/10.2478/ejes-2018-0063
Avivah, L. 2021. Hype Cycle for Blockchain 2021; More Action than Hype [www-sivu].
URL https://blogs.gartner.com/avivah-litan/2021/07/14/hype-cycle-for-blockchain-2021- more-action-than-hype/ (viitattu 1.11.21).
Back, A., Corallo, M., Dashjr, L., Maxwell, G., Miller, A., Poelstra, A., Timón, J., Wuille, P. (2014). Enabling blockchain innovations with pegged sidechains. URL: http://www.
opensciencereview.com/papers/123/enablingblockchain-innovations-with-pegged- sidechains, 72.
Baek, & Elbeck, M. (2015). Bitcoins as an investment or speculative vehicle? A first
look. Applied Economics Letters, 22(1), 30–34.
https://doi.org/10.1080/13504851.2014.916379
Bamakan, S.M.H., Motavali, A., Babaei Bondarti, A. (2020). A survey of blockchain con- sensus algorithms performance evaluation criteria. Expert Systems with Applica- tions, 154, 113385–. https://doi.org/10.1016/j.eswa.2020.113385
Baur, D.G., Hong, K., Lee, A.D. (2018). Bitcoin: Medium of exchange or speculative as- sets? Journal of International Financial Markets, Institutions & Money, 54, 177–189.
https://doi.org/10.1016/j.intfin.2017.12.004
Bhadoria, R.S., Sharma, N., Pandey, M.K. (2020). Demystifying the Power of Blockchain Technology in Supply Chain Management. International Journal of Applied Evolutionary Computation, 11(4), 38–53. https://doi.org/10.4018/IJAEC.2020100104
BitcoinCash, 2017. Bitcoin Cash - Peer-to-Peer Electronic Cash [www-sivu]. URL https://bitcoincash.org/ (viitattu 15.11.21).
Bitir-Istrate, I., Gheorghiu, C., Gheorghiu, M. (2021). The transition towards an environ- mental sustainability for Cryptocurrency mining. E3S Web of Conferences, 294, 3004–.
https://doi.org/10.1051/e3sconf/202129403004
Blockchain.com. 2021. Blockchain Explorer - Average Transactions Per Block [www- sivu]. URL https://www.blockchain.com/charts/n-transactions-per-block (viitattu 17.11.21).
Böhme, Christin, N., Edelman, B., & Moore, T. (2015). Bitcoin: Economics, Technology, and Governance. The Journal of Economic Perspectives, 29(2), 213–238.
https://doi.org/10.1257/jep.29.2.213
Bouoiyour, J., Selmi, R., & Hueber, O. (2019). Low on Trust and High on Risks: Is Sidechain a Good Solution to Bitcoin Problems?. Annals of Financial Economics 10.
Brophy, R. (2020). Blockchain and insurance: a review for operations and regula- tion. Journal of Financial Regulation and Compliance, 28(2), 215–234.
https://doi.org/10.1108/JFRC-09-2018-0127
Caetano, R. (2015). Learning Bitcoin . Packt Publishing Ltd.
Cai, S., Yang, N., Ming, Z., (2018). A Decentralized Sharding Service Network Frame- work with Scalability. Web Services – ICWS 2018, 151–165. https://doi.org/10.1007/978- 3-319-94289-6_10
The Cambridge Centre for Alternative Finance. 2021. Cambridge Bitcoin Electricity Con- sumption Index [www-sivu]. URL https://ccaf.io/cbeci/index (viitattu 14.12.21).
Chauhan, A., Malviya, O.P., Verma, M., Mor, T.S., (2018). Blockchain and Scalabil- ity. 2018 IEEE International Conference on Software Quality, Reliability and Security Companion (QRS-C), 122–128. https://doi.org/10.1109/QRS-C.2018.00034
Chohan U.W., (2019). The Limits to Blockchain? Scaling vs. Decentralization. SSRN Electronic Journal. https://doi.org/10.2139/ssrn.3338560
Coinmarketcap. n.d. Blockchain trilemma. [www-sivusto] URL https://coinmar- ketcap.com/alexandria/glossary/blockchain-trilemma (viitattu 28.11.2021)
Croman, K., Decker, C., Eyal, I., Efe Gencer, A., Juels, A., Kosba, A., Miller, A., Saxena, P., Shi, E., Gün Sirer, E., Song, D., Wattenhofer, R., Tech, C., (2016). On Scaling De- centralized Blockchains: A Position Paper. In Financial Cryptography and Data Secu- rity (pp. 106–125). Springer Berlin Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-53357- 4_8
Crosby, M., Pattanayak, P., Verma, S., & Kalyanaraman, V. (2016). Blockchain technol- ogy: Beyond bitcoin. Applied Innovation, 2(6-10), 71.
Decker, C., Wattenhofer, R., (2013). Information propagation in the Bitcoin net- work. IEEE P2P 2013 Proceedings, 1–10. https://doi.org/10.1109/P2P.2013.6688704
Dennis, R., & Disso, J. P., (2018). An Analysis into the Scalability of Bitcoin and Ethereum. In Third International Congress on Information and Communication Technol- ogy (pp. 619–627). Springer Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-13-1165-9_57 Dorfleitner, G., Muck, F., Scheckenbach, I., (2021). Blockchain applications for climate protection: A global empirical investigation. Renewable & Sustainable Energy Re- views, 149, 111378–. https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111378
Essaid, M., Park, S., Ju, H. (2020). Bitcoin’s dynamic peer‐to‐peer topology. International Journal of Network Management, 30(5). https://doi.org/10.1002/nem.2106
Fauzi, M.A., Paiman, N., Othman, Z., (2020). Bitcoin and Cryptocurrency: Chal- lenges;Opportunities and Future Works. The Journal of Asian finance, economics, and business, 7(8), 695–704.
Fink, A., 2014. Conducting research literature reviews : from the Internet to paper.
Gartner. 2021. Hype Cycle for Blockchain, 2021. [www-sivu]. URL https://www.gart- ner.com/interactive/hc/4003463?ref=solrAll&refval=294127736 (viitattu 1.11.21).
Göbel, J., Keeler, H. P., Krzesinski, A. E., & Taylor, P. G. (2016). Bitcoin blockchain dynamics: The selfish-mine strategy in the presence of propagation delay. Performance Evaluation, 104, 23-41.
Haber, S., Stornetta, W.S., (2001). How to Time-Stamp a Digital Document. In Advances in Cryptology-CRYPTO’ 90 (pp. 437–455). Springer Berlin Heidelberg.
https://doi.org/10.1007/3-540-38424-3_32
Hafid, A., Hafid, A.S., Samih, M., (2020). Scaling Blockchains: A Comprehensive Sur- vey. IEEE Access, 8, 125244–125262. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3007251 Hari, A., Kodialam, M., Lakshman, T. V. (2019). ACCEL: Accelerating the Bitcoin Block- chain for High-throughput, Low-latency Applications. IEEE INFOCOM 2019 - IEEE Con- ference on Computer Communications, 2368–2376. https://doi.org/10.1109/INFO- COM.2019.8737556
Hueber, O. (2018). The blockchain and the sidechain innovations for the electronic com- merce beyond the Bitcoin’s framework. International Journal of Transitions and Innova- tion Systems, 6(1), 88–102. https://doi.org/10.1504/IJTIS.2018.090770
Kakkar, B., Johri, P., & Kumar, A. (2021). Blockchain Applications in various sectors beyond: Bitcoin. In 2021 International Conference on Advance Computing and Innova- tive Technologies in Engineering (ICACITE) (pp. 469-473). IEEE.
Khan, D., Jung, L.T., Hashmani, M.A., (2021). Systematic Literature Review of Chal- lenges in Blockchain Scalability. Applied Sciences, 11(20), 9372–.
https://doi.org/10.3390/app11209372
Kiayias, A., Litos, O. S. T. (2019). A Composable Security Treatment of the Lightning Network. IACR Cryptol. ePrint Arch., 2019, 778.
Kim, H., Kim, D. (2021). Adjusting the Block Interval in PoW Consensus by Block Interval Process Improvement. Electronics (Basel), 10(17), 2135–. https://doi.org/10.3390/elec- tronics10172135
de Kruijff, J., Weigand, H. (2017). Understanding the Blockchain Using Enterprise On- tology. Advanced Information Systems Engineering, 29–43. https://doi.org/10.1007/978- 3-319-59536-8_3
Kshetri, N. (2017). Can Blockchain Strengthen the Internet of Things? IT Profes- sional, 19(4), 68–72. https://doi.org/10.1109/MITP.2017.3051335
Kwon, Y., Kim, H., Shin, J., Kim, Y. (2019). Bitcoin vs. Bitcoin Cash: Coexistence or Downfall of Bitcoin Cash? 2019 IEEE Symposium on Security and Privacy (SP), 935–
951. https://doi.org/10.1109/SP.2019.00075
Lao, L., Li, Z., Hou, S., Xiao, B., Guo, S., Yang, Y. (2020). A Survey of IoT Applications in Blockchain Systems: Architecture, Consensus, and Traffic Modeling. ACM Computing Surveys, 53(1), 1–32. https://doi.org/10.1145/3372136
Larriba, A.M., Cerdà I Cucó, A., Sempere, J.M., López, D. (2021). Distributed Trust, a Blockchain Election Scheme. Informatica (Vilnius, Lithuania), 321–355.
https://doi.org/10.15388/20-INFOR440
Lee, J., Long, A., McRae, M., Steiner, J., & Handler, S. G. (2015). Bitcoin basics: A primer on virtual currencies. Bus. L. Int'l, 16, 21.
Lewis, A. (2018). The basics of bitcoins and blockchains: an introduction to cryptocur- rencies and the technology that powers them. Mango Media Inc.
Li, J., Li, N., Peng, J., Cui, H., Wu, Z. (2019). Energy consumption of cryptocurrency mining: A study of electricity consumption in mining cryptocurrencies. Energy (Ox- ford), 168, 160–168. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.11.046
Li, S., Yu, M., Yang, C.-S., Avestimehr, A.S., Kannan, S., Viswanath, P. (2021). Poly- Shard: Coded Sharding Achieves Linearly Scaling Efficiency and Security Simultane- ously. IEEE Transactions on Information Forensics and Security, 16, 249–261.
https://doi.org/10.1109/TIFS.2020.3009610
