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  • Julius Geiling

Durch interplanetare Kommunikation zum Internet der Zukunft

Das Internet hat sich seit seinem Aufkommen in der 80er Jahren stark verändert. Von der Direktverbindung wissenschaftlicher Institute hin zum größten von Menschenhand geschaffenen Netzwerk. Die Inhalte entwickelten sich von simplen Texten hin zu komplexen Multimediaanwendungen und Marktplätzen. Ermöglicht wurde diese Entwicklung durch das dem Netzwerk zugrundeliegende Hyper Text Transfer Protocol, kurz HTTP. Dies ist ein zustandsloses Protokoll für das Herunterladen von Websites in Web-Browser. Hierbei wird der im Browser eingegebene Webseitennamen mit der zugehörigen IP-Adresse verbunden und der Inhalt vom adressierten Server heruntergeladen. Bei weiterem Wachstum, kann dieser limitierende Grundmechanismus potentiell zu Problemen führen.

Anstatt das Protokoll in seiner grundlegenden Struktur zu verändern, wurde die Infrastruktur des Netzes den Eigenschaften des HTTP angepasst. Diese Entwicklung führt zu uneffektiver Ressourcennutzung. Nachfolgend soll dies an Beispielen verdeutlicht werden.

Die stetig ansteigende Zahl an Nutzern bringt eine immer weiter steigende Anzahl an Anfragen mit sich. Jede Anfrage wird protokollbedingt einzeln an den jeweilig gewünschten Server weitergeleitet und von diesem bearbeitet. Gleiche Anfragen werden hierbei nicht gebündelt. Ein Beispiel: In einer Vorlesung sitzen 1000 Studenten. Um der Veranstaltung folgen zu können, benötigen alle Studierenden die Folien des Referenten. Diese sind auf der Lernplattform der Universität hinterlegt. Es werden also 1000 Anfragen an den Server der Universität gestellt und mit 1000 PDF-Downloads der gleichen Datei beantwortet. Es entsteht eine große Bandbreitennutzung, um ein und dieselbe Datei auf Geräte zu übertragen, die sich alle im gleichen lokalen Netzwerk befinden. Die geringe Effizienz ist deutlich ersichtlich.

Führen wir das Beispiel fort: Angenommen die Universität verfügt über keinen eigenen Server zum Hosten der Lernplattform, sondern setzt auf einen Dienstleister, der sich in den USA befindet. Das erforderliche PDF wird nun 1000-mal um die halbe Welt gesendet. Hierbei ist abgesehen von der Geschwindigkeit der Netzknoten die Lichtgeschwindigkeit der limitierende Faktor (Europa und Amerika sind über Seekabel verbunden, in denen Daten über Glasfasern übertragen werden). Alle Einzelanfragen akkumuliert ergibt sich so ein verhältnismäßig großer Zeitaufwand, um das PDF an jeden einzelnen Studenten zu übertragen. Zum Vergleich: eine Übertragung der Datei von einem Computer innerhalb des lokalen Netzwerkes zu allen Studenten würde einen Bruchteil der Zeit benötigen. In diesem Fall wird auch die Ressource Zeit uneffektiv genutzt.

Einen Tag später findet die gleiche Vorlesung vor Studenten eines anderen Studiengangs statt. Wider Erwarten kam es über Nacht in den USA zu einem Stromausfall, der auch die Dienstleisterfirma betrifft, die die Lernplattform zur Verfügung stellt. Alle Anfragen der Studenten in der zweiten Vorlesung werden mit dem weithin bekannten Error 404 – Page not foundbeantwortet. Die Studenten können also nicht auf das PDF zugreifen. Gesetz dem Fall, einer der Studenten aus der ersten Vorlesung befindet sich in der Universität entsteht so die paradoxe Situation, dass die Studenten der zweiten Vorlesung nicht auf die Benötigten Unterlagen zugreifen können, obwohl sie sich sogar im gleichen Netzwerk befinden.

Anhand dieser einfachen Beispiele soll bildlich aufgezeigt werden, welche strukturbedingten Probleme das HTTP für heutige, durchaus alltägliche Herausforderungen birgt.

Das Interplanetary File System, kurz IPFS, ist ein von Protocol Labs entworfener Netzwerkstandard, der als Alternative zu HTTP und dessen strukturbedingten Nachteilen gestaltet wurde. Im Gegensatz zu HTTP setzt IPFS auf Dezentralität. Grundlegend basiert das IPFS auf dem Ansatz des Peer-to-Peer-Netzwerkes, also die Bereitstellung von Daten durch Nutzer des Netzwerkes statt durch zentrale Server. Das Netzwerk entscheidet hierbei selbstständig, wo und in wie vielfacher Ausführung Daten gespeichert werden. Die Daten werden mit eindeutigen Hashes adressierbar gemacht. Um auf eine Datei zuzugreifen, wird nicht wie beim HTTP die IP-Adresse des Servers adressiert, sondern eine Anfrage nach dem jeweiligen Hash an das Netzwerk gestellt. So kann dieses die gewünschte Datei, von der nächst gelegenen Quelle beziehen. Die Nutzung eindeutiger Hashes ermöglicht zudem eine einfache Versionierung der Dateien. Wird eine Änderung an der jeweiligen Datei vorgenommen, wird automatisch ein neuer Hash generiert. So kann die Vorgängerversion unter dem alten Hash und die aktuelle Version über den neu generierten Hash adressiert werden.

Ähnlich wie beim Domain Name System (DNS) für HTTP wird beim IPFS eine sogenannte Distributed Hash Table eingesetzt. Sie beinhaltet alle im Netzwerk befindlichen Hashes und deren Standorte. Die Tabelle wird genau wie die Daten im IPFS auch dezentral gespeichert.

Im IPFS ist es also nicht möglich, Webinhalte zu blockieren, indem Einträge in DNS-Servern blockiert werden.

Zusammengefasst ergeben sich sechs zentrale Vorteile des IPFS gegenüber demHTTP. Eine dezentrale Datenspeicherung schützt die Daten vor Angriffen und Verlusten. Die kontinuierliche Versionierung ermöglicht es, auch auf ältere Versionen von Dateien zuzugreifen. Zensur wird effektiv vorgebeugt, da eine Zugriffssperre über DNS Server nicht mehr möglich ist. Die Zugriffssicherheit auf Daten ist deutlich erhöht. Solange sich auch nur eine Kopie einer Datei im Netzwerk befindet, kann zu jedem Zeitpunkt auf diese zugegriffen werden. Die weltweit verfügbare Bandbreite wird deutlich effektiver genutzt, indem Daten stets von der nächsten Quelle statt über zentrale Server bezogen werden.

Das IPFS verspricht einen großen Mehrwert für die Weiterentwicklung des Webs, jedoch sind für eine flächendeckende Expansion noch einige Herausforderungen zu lösen:

Um die benötigte Menge an Speicherplatz bereitzustellen, die erforderlich ist, um das System als relevante Alternative zum herkömmlichen Internet nutzen zu können, muss ein effektives System zur Belohnung derer, die den benötigten Speicher bereitstellen, etabliert werden. Eine Möglichkeit wäre es, die Nutzer selbst zu sogenannten Nodes zu machen, also selbstständig betriebenen Knoten des Netzwerkes. Die Idee ist es, dass jeder Nutzer genau so viel Speicherplatz für das Netzwerk zur Verfügung stellt, wie er selber über das Netz verwendet. Dieser Ansatz würde eine völlige Dezentralisierung des Netzwerkes ermöglichen, wirft aber neue Herausforderungen auf. Am offensichtlichsten ist sicherlich die stark variierende Verbindungsgeschwindigkeit verschiedener Anschlüsse. Ist freigegebener Speicher auf Geräten mit langsamer Internetanbindung genau so viel wert, wie Speicher mit einer Hochgeschwindigkeitsanbindung? Mit welchem Faktor wäre der Geschwindigkeits-unterschied zu bewerten? Eine weitestgehend standardisierte Regelung ist nach aktuellem Stand nicht bekannt.

Eine weitere Herausforderung ist die verfügbare Speichermenge der Geräte, mit denen das Netz verwendet werden soll. Man denke an einen SmartTV, der mit wenigen Gigabyte an Speicher versehen ist, jedoch verwendet wird, um Inginhalte in 4K zu streamen. Es kann nicht davon ausgegangen werden, dass in nächster Zukunft alle Geräte, die das Internet nutzen wollen, mit großen Speichern ausgestattet sein werden.

Die größte Herausforderung ist wahrscheinlich die kontinuierliche Internetverbindung. Um Daten immer abrufbar zu halten, müssen die jeweiligen Speicher stets online sein. Lässt sich dies mit einem fest installierten Computer unter Umständen noch realisieren, ist es für mobile Endgeräte eine Herausforderung, die noch viel Entwicklung gerade auf Infrastrukturebene erfordert. Vorausgesetzt, die genannten Herausforderungen werden gelöst, stellt sich zudem die Frage, wie lange Speicher bereitgestellt werden muss, um damit für den eigens erzeugten Traffic im Netzwerk zu „bezahlen“?

Protocol Labs hat ein eigenes Protokoll namens Filecoin entwickelt, um die oben genannten Herausforderungen zu bewältigen. Ähnlich wie beim bekannten Proof of Stake-Ansatz von Cryptowährungen belohnt Filecoin die Bereitstellung von Speicher für das Netzwerk mit Tokens, die monetarisiert werden können. So wird die Bereitstellung von mehr Speicherplatz, als selbst benötigt, mit einem Anreizsystem gefördert. Protocol Labs spricht von einem Marktplatz für Speicher, also einer Plattform, auf der die Dienstleistung der Bereitstellung von Speicher und die Nutzung von Speicher gehandelt werden können. Die Analogie zum Cloudcomputing liegt nahe. Auch hier kann gegen eine monatliche Zahlung die Dienstleistung der externen Datenspeicherung gekauft werden. Diese ist jedoch bei den großen Dienstleistern wie AWS (Amazon), OneDrive (Microsoft) oder iCloud (Apple) zentralisiert organisiert. IPFS sieht hingegen ein dezentrales Netzwerk vor. Durch Filecoin kann auch die Frage nach dem Zeitintervall, in dem Speicher zur Verfügung gestellt werden muss, einfach beantwortet werden. Analog zu Proof of Stake wird nach einem definierten Zeitraum eine Auszahlung in Filecoin in Höhe der erbrachten Speicherleistung ausgelöst. Durch diese Mechanik ist es möglich, IPFS genau so anwenderfreundlich wie HTTP zu gestalten, da der Endnutzer sich nicht mehr selbst um Speicher-Node und Anbindung kümmern muss, sondern dies an serviceorientierte Anbieter weitergibt.

Nach aktuellem Stand ist eine endgültige Löschung von Inhalten im IPFS noch recht umständlich. Soll eine Datei gelöscht werden, müssen neben Löschung der Verknüpfung in der Distributed Hash Table auch alle lokalen Versionen auf allen Geräten realisiert werden, die die Datei speichern. Mit starker globaler Dezentralisierung dieser Speicherorte wird auch die Löschung komplexer, hat doch jedes Land unterschiedliche Regelungen, wie mit Löschungen von Daten umzugehen ist.

Eine weitere Herausforderung ist die potentiell höhere Speichernutzung als bei der Verwendung von HTTP. Durch den Erhalt jeder Version einer Datei kann es bei häufig aktualisierten Dateien zu großem Speicherbedarf kommen. Sicherlich wäre es möglich, Dateien, die nicht nachgefragt sind, nach einem bestimmten Zeitraum zu löschen, jedoch steht dies im Konflikt zum Ansatz von IPFS, alle Versionen einer Datei zu erhalten.

Die Verfügbarmachung von Daten ist im IPFS grundsätzlich sicherer gewährleistet, als bei der Nutzung des HTTP, jedoch besteht nach wie vor die Gefahr von Datenverlusten, sollten alle Knoten, welche eine bestimmte Datei speichern, gleichzeitig offline gehen. Jedoch ist relativierend hinzuzufügen, dass die Wahrscheinlichkeit für den Eintritt dieses Szenarios mit steigender Dezentralisierung abnimmt.

Im Mai 2017 wurde in der Türkei die größte Online-Enzyklopädie der Welt, Wikipedia, blockiert und so von Internetanschlüssen in der Türkei unerreichbar gemacht. Eine Kopie von Wikipedia wurde in das IPFS System geladen und somit gegen Blockaden durch die Staatsgewalt geschützt.

Eine weitere gute Anwendungsmöglichkeit zeigt die Webseite DTube auf. Genau wie bei YouTube können Videoinhalte von Nutzern hochgeladen werden und von jedem abgerufen werden. Die Speicherung der Videodateien erfolgt hierbei jedoch nicht über zentralisierte Server, sondern über ein dezentrales Netzwerk.

Auch für autonomes Fahren ergeben sich durch IPFS neue Möglichkeiten des Datentransfers. So ist es denkbar, in zukünftig vollständig vernetzten Fahrzeugen eine größere Zugriffssicherheit auf relevante Verkehrsdaten gewährleisten zu können. Es wäre so nur notwendig, ein Fahrzeug mit den neusten Informationen aus dem Internet zu versorgen und dieses dann als Verteiler der Daten für alle umliegenden Fahrzeuge zu nutzen. Schlecht ausgebauter Netzinfrastruktur könnte so effektiv entgegengewirkt werden.

In Deutschland ist es für Unternehmer verpflichtend, Rechnungen über 10 Jahre im Original zu speichern. Es muss nachgewiesen werden, dass an dem jeweiligen Dokument keinerlei Änderungen gemacht wurden. Ist dieses bei konventioneller Rechnungsstellung auf Papier beispielsweise durch ein Bankschließfach oder einem Safe mit personalisiertem Zugriff noch verhältnismäßig einfach umzusetzen, stellt die digitale Rechnungsstellung eine Herausforderung dar. Wie ist zu beweisen, dass an einer digitalen Datei keinerlei Veränderungen vorgenommen wurden? Durch IPFS wäre es möglich, die Datei mit einem einmaligen Hash zu versehen und diese „öffentlich“ zu speichern. Wird die Rechnung manipuliert, wird automatisch ein neuer Hash der Datei generiert und es kann nachgewiesen werden, dass es zu einer Manipulation kam. Weiter noch wäre es möglich, die Datei durch dezentrale Speicherung deutlich besser gegen eine Löschung zu schützen. Es kann so also zweifelsfrei nachgewiesen werden, dass sich die Rechnung über den Zeitraum von 10 Jahren komplett unverändert im IPFS befunden hat.

Das IPFS stellt einen interessanten neuen Ansatz dar, um mit potentiellen Gefahren des herkömmlichen Internets umzugehen. Besonders interessant sind hierbei der Dezentralisierungsansatz und die deutlich effektiver genutzte Netzinfrastruktur.

Eine praktische Umsetzung des IPFS wird jedoch zunächst noch eine Nischenanwendung bleiben, die sich mit dem Aufschwung der Cryptobranche weiter etablieren wird. Relevant erscheint auch der Erfolg des Speichercoins Filecoin. Würde dieser doch viele Hindernisse für die Massenadaption beseitigen. Sollte sich IPFS jedoch in Zukunft durchsetzen, kann so ein deutlich zeitgemäßeres und effektiveres Internet geschaffen werden, das wieder den Nutzen gehört und nicht großen, zentralisierten Einrichtungen. Eine Entwicklung, die sicherlich für mehr Gleichberechtigung und Transparenz im Internet sorgen dürfte.


Quellen

https://blockchainwelt.de/interplanetary-file-system-ipfs-definition-und-funktionsweise/

https://blockchainwelt.de/filecoin-dezentrales-speichernetzwerk/

https://hackernoon.com/a-beginners-guide-to-ipfs-20673fedd3f

https://blockonomi.com/interplanetary-file-system/

https://www.btc-echo.de/tutorial/ipfs-fuer-blockchains/

https://filecoin.io

https://ipfs.io

https://de.wikipedia.org/wiki/InterPlanetary_File_System

https://www.youtube.com/watch?v=HUVmypx9HGI

https://www.youtube.com/watch?v=5Uj6uR3fp-U

https://www.youtube.com/watch?v=i5Obv_BTjv0

https://www.youtube.com/watch?v=skMTdSEaCtA

https://www.youtube.com/watch?v=6kqgsGXpykM

https://www.youtube.com/watch?v=Qcfp9I76Db8

https://www.youtube.com/watch?v=vyRZBeMtkrA

https://www.youtube.com/watch?v=Xkt46VVExxc


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