作者：PayPal 來源：mirror 翻譯：善歐巴，金色財經
區塊鏈技術最普遍的討論主題之一是永續性。區塊鏈網絡，特別是工作量證明(PoW) 網路（例如比特幣），會消耗大量能源。據估計，截至2024 年4 月2 日，比特幣挖礦每年產生的二氧化碳當量約為8,500 萬噸。即使新的區塊鏈共識機制迅速普及，比特幣的PoW 架構也可能持續存在。
PayPal 區塊鏈研究小組與Energy Web 和DMG 區塊鏈解決方案公司(“DMG”) 進行策略合作，為加速比特幣挖礦的清潔能源轉型提供了一個機會。就像web3 中許多其他機制一樣，我們建議利用密碼經濟誘因來鼓勵期望的行為：比特幣礦工在挖礦營運中使用低碳能源。以下連結的完整研究論文概述了一個機會，該機會不僅獎勵使用可持續能源運營的比特幣礦工，而且還增加了參與實體將鏈上交易路由到這些特定礦工的可能性。
用加密經濟學激勵所需的活動
理性的礦工受密碼經濟誘因的驅動。他們期望獲得一種資產(比特幣BTC) 的獎勵，該資產的價值高於他們為獲得該獎勵所投入的資源。區塊鏈歷史上大部分工作都集中在如何讓一群分散的個體礦工在維護分散式帳本方面都誠實和負責任地執行任務。
自2008 年以來，比特幣透過其分散式礦工社群實現了帳本的穩健、安全、去中心化和抗審查維護。換句話說，比特幣的基本密碼經濟結構及其工作量證明共識機制已經成功了。現在的問題是，是否可以在基本工作量證明機制之上添加額外的密碼經濟激勵，從而鼓勵我們作為社區所期望的更環境永續性的行動。
PayPal 區塊鏈研究小組的合作夥伴EnergyWeb 開發了一個清潔能源驗證平台，讓比特幣礦工為其挖礦營運取得低碳認證。這些「綠色礦工」擁有與其關聯的公鑰（我們稱之為「綠色密鑰」），獎勵可以分配到這些密鑰上。鏈上交易透過以低交易費用廣播的方式優先路由給“綠色礦工”，但會將部分比特幣獎勵“鎖定”在多重簽名支付地址中。 「綠色礦工」 將被激勵挖這些礦，因為只有他們才有資格獲得額外的「鎖定」比特幣獎勵。
PayPal 區塊鏈研究小組希望透過提出重新應用基本密碼經濟誘因來改善和優化現有強大網路的方法，從而影響人們的偏好行為。永續性是當今世界上幾乎所有新興和成熟行業的重要主題，我們的目標是支持加密貨幣在永續發展未來中的作用。
1、簡介
比特幣挖礦可以成為一個非常耗費能源的過程，引發人們對其碳足跡的擔憂。截至2024 年4 月2 日，一些報告估計其年度排放量已超過8,500 萬噸二氧化碳當量(MtCO2e)。
造成如此重大影響的原因在於用於保護比特幣網路安全的「工作量證明(PoW)」共識機制。在PoW 機制中，礦工們會競爭性地尋找區塊的解決方案（即加密哈希值），這需要功能強大的運算硬體（例如專用積體電路(ASIC) 機器）。隨著加入挖礦競爭的礦工越來越多，找到區塊解決方案的難度也往往會增加。工作量證明機制持續需要強大的運算能力，必然會導致大量耗電。礦工使用碳基能源發電會導致比特幣網路產生碳足跡。
本文提出了一種解決方案，即激勵使用低碳能源的礦工。該提案將以一種可信賴、獨立於第三方的方式獎勵使用可驗證的低碳能源進行挖礦的礦工(即無需信任第三方即可獲得獎勵)。此外，該方案還旨在提高將鏈上交易路由到此類礦工的可能性。這不僅是對更環保挖礦的支持，也鼓勵其他礦工轉向清潔能源。透過促進這種轉變，該解決方案旨在透過獎勵使用清潔能源的礦工，從長遠來看支持比特幣網路的脫碳化，同時還努力保持網路的良好去中心化程度和強大的安全性。
2. 解決方案概述
概括而言，該解決方案涉及識別使用低排放能源的礦工，優先將鏈上交易路由到這些礦工，並使用附加在鏈上交易中的1-of-n 多重簽名腳本(即n 個礦工中的任何一個都可以花費這些比特幣) 獎勵他們。具體步驟如下：
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識別綠色礦工：第一步是識別在其挖礦運作中使用足夠比例低碳能源的礦工。在本文中，我們將把這些礦工稱為「綠色礦工」。我們將在下文第3 節解釋如何識別他們以及如何確定其能源使用是否足夠。
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綠色密鑰：一旦識別出綠色礦工，下一步就是獲取他們的公鑰，這些公鑰將用於分配獎勵。本文將這些公鑰稱為“綠色密鑰”，它們可能不同於礦工用來收集區塊獎勵的密鑰。
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多重簽名支付地址：綠色金鑰然後從不同的綠色礦工聚合到單一1-of-n 多重簽名地址（指定為支付地址），該地址用於向礦工分配以比特幣計價的獎勵。因此，如果有n 個綠色礦工，那麼將會有n 個綠色金鑰，但只有一個1-of-n 多重簽名支付地址。此支付地址將允許任何一個綠色礦工領取獎勵。第3 節將討論綠色密鑰和支付地址的管理。
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優先路由交易到綠色礦工：為了優先將交易路由到綠色礦工，鏈上交易會以較低的交易費用廣播（詳情見下文）。附加到鏈上交易的還有另一個包含鎖定在1-of-n 多重簽名支付地址中的一些比特幣的UTXO，作為激勵綠色礦工的獎勵。由於交易費用較低，大多數礦工將無利可圖處理這些交易，但綠色礦工將有資格獲得額外的獎勵，他們可以尋找這些交易（我們將在下文中稱為綠色交易，如下圖中的“A ”所示）。
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綠色挖礦的激勵機制：當綠色礦工在記憶體池中收到交易時，他們會根據多重簽名支付地址將其識別為綠色交易。礦工在組裝區塊時需要包含該交易，並在同一區塊中包含另一個贖回交易（如下圖中的「D」所示）以消耗鎖定在支付地址中的比特幣的UTXO。此額外的交易將具有屬於綠色礦工的接收者地址。
因此，只有包含綠色交易、贖回交易並成功挖出下一個區塊的綠色礦工才能確保獲得比特幣獎勵。如上文所述，儘管低交易費用會阻止非綠色礦工優先考慮這些鏈上交易，但綠色礦工會希望優先考慮這些交易，因為贏得區塊將使他們獲得鎖定在多重簽名支付地址中的比特幣獎勵。這將增加將鏈上交易路由到綠色礦工的可能性，並在他們贏得區塊時激勵他們。
3. 識別綠色礦工
為了幫助識別綠色礦工並讓他們加入到該解決方案中，我們可以利用像Energy Web 這樣的提供者的解決方案。 Energy Web 是一個致力於加速能源轉型的全球非營利組織。他們的「比特幣綠色證明」倡議旨在促進透明度，並支持比特幣挖礦與全球脫碳努力之間的協調。礦工可以使用比特幣綠色證明驗證平台申請並分享其永續挖礦認證。然後，礦工可以選擇性地向加密市場參與者和商業夥伴揭露這些認證和底層的永續性數據。
礦工可以透過達到清潔能源評分或電網影響評分高於50 來獲得比特幣綠色證明認證。有關如何計算這些評分的詳細資訊可以在這裡找到(提供連結細節超出範圍)。
Energy Web 也將為希望參與此解決方案的礦工開發一個新平台。使用這個新平台，綠色礦工可以註冊自己並分享他們的綠色（公共）密鑰。綠色激勵計劃的參與者然後可以訪問這些信息，以簡化收集可用於生成和管理1-of-n 多重簽名支付地址的綠色密鑰的過程。
雖然使用Energy Web 的比特幣綠色證明驗證平台是識別綠色礦工的務實解決方案，但也存在其他解決方案，可以更去中心化地識別和引入這些礦工。例如，可以鼓勵其他認證機構向比特幣礦工頒發互通憑證，作為綠色激勵計畫永續性的證明。
4. 測試礦工參與
我們成功地與一家比特幣礦商DMG 區塊鏈解決方案公司(DMG) 測試了這個解決方案背後的想法。 DMG 是一家上市的垂直整合區塊鏈和加密貨幣公司，其管理、營運和開發端到端的數位解決方案，以實現區塊鏈生態系統的變現。
在測試中，我們廣播了多個低費率交易，以觀察該解決方案在不同鏈上交易量水準下的運作效果。我們的預期是，這些交易的確認時間會很長，或者最終會被網路丟棄，這取決於交易量。這將增加綠色礦工拾取這些交易的機會。我們還想要測試礦工識別綠色交易、將其包含在區塊中以及在同一區塊內添加另一個單獨交易以領取獎勵的能力。以下部分我們將討論一個範例測試。
4.1 測試設置
我們公開廣播了兩筆交易，雜湊值分別為7c60f98157c6d9d958cc90cdf2ae30d67c237e0bb8aab03688f621004ea1a768 和0a929ba61c72a4f331110276862969600b 73e1，每個交易都包含0.0001 BTC 作為綠色獎勵發送到支付地址32orJvB4V7sxH8m6AwwLVBKKGm142UgiYg。當時比特幣網路的非優先費率約為72 sat/vB，這兩個交易的費率分別設定為64.8 sat/vB 和67.1 sat/vB。
4.2 測試結果
交易廣播後不久就進入了DMG 的記憶體池。他們能夠檢測到我們的低費率交易，並將其包含在他們的區塊模板中。他們花了兩天時間挖出了下一個區塊。正如我們所料，在這段時間內沒有其他礦工拾取低費率交易。當DMG 挖出區塊時，他們包含了低費率交易，並透過在同一區塊中加入交易8e59cf7d258e08716bfc6d4f54389495d7d62545c5950accc16ae371ab4333c3 領取了綠色獎勵。
這驗證了我們的信念，即交易可以透過該機制優先路由到綠色礦工，並且這些礦工可以接收指定的獎勵。
5. 注意事項
5.1 低費用vs. 零費用
鏈上交易可以廣播低交易費用或零交易費用，以勸阻非綠色礦工拾取它們。這裡我們將討論每個選項的權衡。
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零費用:
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交易可能無法路由到任何礦工。一些比特幣節點使用費用過濾器來決定中繼哪些交易，它們可能會根據費用配置節點忽略或優先順序處理交易。具有低費用或零費用的交易可能會被過濾掉，不會被中繼到更廣泛的網路。
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惡意行為者可以用許多零費用交易淹沒網絡，造成交易氾濫DoS攻擊。
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優點：可以大大阻止非綠色礦工拾取我們的交易。
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缺點：
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夠低的費用:
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可以緩解交易氾濫DoS攻擊的可能性。
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在某些情況下，非綠色礦工仍可選擇拾取低費用的交易（尤其是在鏈上交易量較低時）。但是，在這種情況下，非綠色礦工將無法從1-of-n 多重簽名支付地址獲得獎勵，而任何綠色礦工都可以。
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獎勵可以被視為激勵綠色礦工採用永續挖礦實踐的額外動力（儘管更多的是一種間接贈款形式）。
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優點：
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缺點：非綠色礦工偶爾可能會挖到這些交易。
隨著越來越多的綠色礦工加入解決方案中，非綠色礦工挖到這些交易的可能性應該會進一步降低。此外，即使非綠色礦工挖到了低費用交易，綠色礦工也可以透過廣播贖回交易來賺取獎勵。綠色礦工仍然有動力自己挖礦，因為這樣可以確保自己獲得獎勵，而不是來自多重簽名集合中的另一個綠色礦工。
因此，交易通常應該廣播一個足夠低的交易費用，既可以勸阻非綠色礦工拾取綠色交易，又足以被中繼到更廣泛的比特幣網絡，並能夠減輕交易氾濫DoS攻擊的可能性。
5.2 儲存空間
隨著越來越多的綠色礦工加入，鎖定在1-of-n 多重簽名中的比特幣的贖回交易大小可能會增加。這是因為（取決於多重簽章實作）贖回腳本的大小可能與n 的大小直接成正比。由於礦工需要在區塊中添加額外的交易來領取獎勵，因此解決方案還需要額外的區塊鏈空間。在比特幣生態系統中，區塊鏈空間是一種寶貴的資源。為了有效利用區塊鏈空間，我們可以實施以下步驟來確保贖回腳本具有空間效率：
a) 先將礦工組織成m 組。如果有N 個礦工，每組理想情況下將包含N/m 個礦工。為實現這一點，請選擇一個合適的m 值，確保N/m 的餘數最小化（理想情況下為零）。
b) 對於要廣播的每個新交易，循環迭代遍歷m 個群組以選擇下一組礦工，獲取他們的公鑰，並將其用於1-of-n 多重簽名腳本中，其中n 是該組中的礦工數量。例如，如果有7 個（即N = 7）綠色礦工，可以選擇建立3 個（即m = 3）組，並在第一組中調整剩餘的一個礦工。因此，第一組將有n = 3 個礦工，而剩下的兩組將每組有n = 2 個礦工。
這將確保贖回比特幣的交易大小受限於群組中的礦工數量。我們需要用這種選擇權做的權衡是，它會將可以從N 收集獎勵的礦工數量減少到ceil(N/m)。如果一組中的特定礦工數量（即n）的算力有限或n 足夠小，則可能導致交易確認延遲，如下文所述。
5.3 交易確認時間
優先考慮綠色礦工可能會導致更長的交易確認時間，因為該解決方案旨在防止非綠色礦工處理我們的交易。上述第5.0 節所解釋的分組方法可能會進一步延長確認時間。如果交易未在可接受的時間範圍內確認，則可以使用類似RBF (Replace-By-Fee) 和CPFP (Child-Pays-For-Parent) 的費用增加機制來加快確認，儘管非綠色礦工處理交易的風險會增加。隨著越來越多的綠色礦工加入解決方案，這個問題將會得到緩解。
請注意，即使是惡意綠色礦工也可能使用CPFP 增加交易費用，從而增加非綠色礦工拾取綠色交易的機會。但是，這種行為可以在鏈上檢測，並且可以採取適當的行動，例如將礦工從解決方案中刪除。
5.4 隱私
由於包含了1-of-n 多重簽名腳本，觀察者可以識別哪些交易正在激勵礦工。如果沒有很多參與者以這種方式激勵綠色礦工，則可能可以將交易與廣播交易的特定VASP 聯繫起來。然而，另一方面，這種權衡將允許透明地證明獎勵確實支付給了綠色礦工。
5.5 礦池礦工vs. 個體礦工
礦工要么分組挖礦（這裡稱為礦池礦工），透過合併他們的計算能力和資源來增加他們成功挖到區塊的機會，或者他們可以自己單獨挖礦（這裡稱為個體礦工），而不加入礦池。對於分組挖礦的礦工，有一個實體稱為礦池運營商，負責管理和運營礦池。礦池運營商通常也負責將獎勵分配給為礦池做出貢獻的礦工。
對於我們的1-of-n 多重簽名腳本，由於礦池礦工沒有決定下一區塊將包含哪個交易的權限，因此他們貢獻給礦池的綠色金鑰無法使用。因此，他們可能無法認領在多重簽名腳本中鎖定的比特幣。為了解決這個問題，腳本需要引用礦池運營商的密鑰，然後運營商會將獎勵分配給礦池礦工。因此，1-of-n 多重簽章支付地址將僅使用礦池運營商、個別礦工或兩者結合的綠色金鑰創建，但不會使用礦池礦工的金鑰。
當礦池礦工採用stratum V2 協議的新特性（它是對礦池挖礦的改進和升級）時，情況可能會改變。這將使他們能夠將他們想要包含在區塊中的交易包含進來。因此，他們將不必依賴礦池運營商來認領1-of-n 多重簽名腳本中鎖定的比特幣，從而使解決方案更加去中心化。然後，該解決方案將能夠在1-of-n 多重簽名腳本中使用礦池礦工的密鑰，而不是礦池運營商的密鑰。
6. 替代方法
這裡概述的解決方案旨在在分配獎勵時實現良好的去中心化、易於實施和獨立信任。沒有一個集中實體來分配獎勵； 相反，當他們挖出指示的鏈上交易並包含贖回交易時，他們可以保證獲得獎勵。然而，正如先前在「注意事項」部分中提到的，該解決方案要求礦工在區塊中添加額外的交易來領取獎勵，並且存在一些可能性，即非綠色礦工可能會拾取綠色交易，即使他們無法領取獎勵。
雖然我們目前認為這些權衡是可以接受的，但也可以設計替代解決方案，交易和獎勵可以透過私有機製而不是使用公共記憶體池發送給礦工。閃電網路和智慧合約等技術也可以成為解決這些問題的替代方法。
然而，這可能會以依賴信任和更複雜的實施為代價。
7. 總結
隨著人們對比特幣的興趣和使用比特幣區塊鏈的應用程式數量不斷增長，我們應該注意大規模比特幣挖礦可能帶來的環境影響。減少比特幣工作量證明共識協議碳足跡的一種方法是增加比特幣挖礦營運使用低碳能源的使用。本文提出了一種激勵礦工使用這些「更綠色」能源的方法，這種方法與當前的使用方式相容，同時盡可能維護比特幣協議固有的去中心化模型。我們希望該解決方案能為圍繞比特幣及其用例的進一步討論和創新做出貢獻，並歡迎業界對潛在改進的回饋。