区块链技术最普遍的讨论话题之一是可持续性。区块链网络，特别是工作量证明 (PoW) 网络（例如比特币），会消耗大量能源。据估计，截至 2024 年 4 月 2 日，比特币挖矿每年产生的二氧化碳当量约为 8500 万吨。即使新的区块链共识机制迅速普及，比特币的 PoW 架构也可能会持续存在。
PayPal 区块链研究小组与 Energy Web 和 DMG 区块链解决方案公司 (「DMG」) 进行战略合作，为加速比特币挖矿的清洁能源转型提供了一个机会。就像 web3 中许多其他机制一样，我们建议利用密码经济激励措施来鼓励期望的行为：比特币矿工在挖矿运营中使用低碳能源。下面链接的完整研究论文概述了一个机会，该机会不仅奖励使用可持续能源运营的比特币矿工，而且还增加了参与实体将链上交易路由到这些特定矿工的可能性。
理性的矿工受密码经济激励的驱动。他们期望获得一种资产 (比特币 BTC) 的奖励，该资产的价值要高于他们为获得该奖励所投入的资源。区块链历史上大部分工作都集中在如何让一群分散的个体矿工在维护分散式账本方面都诚实和负责任地执行任务。
自 2008 年以来，比特币通过其分散式矿工社区实现了账本的稳健、安全、去中心化和抗审查维护。换句话说，比特币的基本密码经济结构及其工作量证明共识机制已经取得了成功。现在的问题是，是否可以在基本工作量证明机制之上添加额外的密码经济激励，从而鼓励我们作为社区所期望的更具环境可持续性的行动。
PayPal 区块链研究小组的合作伙伴 EnergyWeb 开发了一个清洁能源验证平台，允许比特币矿工为其挖矿运营获得低碳认证。这些“绿色矿工”拥有与其关联的公钥（我们称之为“绿色密钥”），奖励可以分配到这些密钥上。链上交易通过以低交易费用广播的方式优先路由给“绿色矿工”，但会将部分比特币奖励“锁定”在多重签名支付地址中。“绿色矿工” 将被激励挖这些矿，因为只有他们才有资格获得额外的“锁定”比特币奖励。
PayPal 区块链研究小组希望通过提出重新应用基本密码经济激励措施来改善和优化现有强大网络的方法，从而影响人们的偏好行为。可持续性是当今世界上几乎所有新兴和成熟行业的重要话题，我们的目标是支持加密货币在可持续发展未来中的作用。
比特币挖矿可以成为一个非常耗费能源的过程，从而引發人们对其碳足迹的担忧。截至 2024 年 4 月 2 日，一些报告估计其年度排放量已超过 8500 万吨二氧化碳当量 (MtCO2e)。
造成如此重大影响的原因在于用于保护比特币网络安全的“工作量证明 (PoW)”共识机制。在 PoW 机制中，矿工们会竞争性地寻找区块的解决方案（即加密哈希值），这需要功能强大的计算硬件（例如专用集成电路 (ASIC) 机器）。随着加入挖矿竞争的矿工越来越多，找到区块解决方案的难度也往往会增加。工作量证明机制持续需要强大的计算能力，就必然会导致大量耗电。矿工使用碳基能源发电会导致比特币网络产生碳足迹。
本文提出了一种解决方案，即激励使用低碳能源的矿工。该提案将以一种可信赖、独立于第三方的方式奖励使用可验证的低碳能源进行挖矿的矿工 (即无需信任第三方即可获得奖励)。此外，该方案还旨在提高将链上交易路由到此类矿工的可能性。这不仅是对更环保挖矿的支持，也鼓励其他矿工转向清洁能源。通过促进这种转变，该解决方案旨在通过奖励使用清洁能源的矿工，从长远来看支持比特币网络的脱碳化，同时还努力保持网络的良好去中心化程度和强大的安全性。
概括而言，该解决方案涉及识别使用低排放能源的矿工，优先将链上交易路由到这些矿工，并使用附加在链上交易中的 1-of-n 多重签名脚本 (即 n 个矿工中的任何一个都可以花费这些比特币) 奖励他们。具体步骤如下：
识别绿色矿工：第一步是识别在其挖矿运营中使用足够比例低碳能源的矿工。在本文中，我们将把这些矿工称为“绿色矿工”。 我们将在下文第 3 节解释如何识别他们以及如何确定其能源使用是否充足。
绿色密钥：一旦识别出绿色矿工，下一步就是获取他们的公钥，这些公钥将用于分配奖励。本文将这些公钥称为“绿色密钥”，它们可能不同于矿工用来收集区块奖励的密钥。
多重签名支付地址：绿色密钥然后从不同的绿色矿工聚合到单个 1-of-n 多重签名地址（指定为支付地址），该地址用于向矿工分配以比特币计价的奖励。因此，如果有 n 个绿色矿工，那么将会有 n 个绿色密钥，但只有一个 1-of-n 多重签名支付地址。此支付地址将允许任何一个绿色矿工领取奖励。第 3 节将讨论绿色密钥和支付地址的管理。
优先路由交易到绿色矿工：为了优先将交易路由到绿色矿工，链上交易会以较低的交易费用广播（详情见下文）。附加到链上交易的还有另一个包含锁定在 1-of-n 多重签名支付地址中的一些比特币的 UTXO，作为激励绿色矿工的奖励。由于交易费用较低，大多数矿工将无利可图处理这些交易，但绿色矿工将有资格获得额外的奖励，他们可以寻找这些交易（我们将在下文中称为绿色交易，如下图中的“A”所示）。
绿色挖矿的激励机制：当绿色矿工在内存池中收到交易时，他们会根据多重签名支付地址将其识别为绿色交易。矿工在组装区块时需要包含该交易，并在同一区块中包含另一个赎回交易（如下图中的“D”所示）以消耗锁定在支付地址中的比特币的 UTXO。此额外的交易将具有属于绿色矿工的接收者地址。
因此，只有包含绿色交易、赎回交易并成功挖出下一个区块的绿色矿工才能确保获得比特币奖励。正如上文所述，尽管低交易费用会阻止非绿色矿工优先考虑这些链上交易，但绿色矿工会希望优先考虑这些交易，因为赢得区块将使他们获得锁定在多重签名支付地址中的比特币奖励。这将增加将链上交易路由到绿色矿工的可能性，并在他们赢得区块时激励他们。
为了帮助识别绿色矿工并让他们加入到该解决方案中，我们可以利用像 Energy Web 这样的提供商的解决方案。Energy Web 是一个致力于加速能源转型的全球非盈利组织。他们的“比特币绿色证明”倡议旨在促进透明度，并支持比特币挖矿与全球脱碳努力之间的协调。矿工可以使用比特币绿色证明验证平台申请并分享其可持续挖矿认证。然后，矿工可以选择性地向加密市场参与者和商业伙伴披露这些认证和底层的可持续性数据。
矿工可以通过达到清洁能源评分或电网影响评分高于 50 来获得比特币绿色证明认证。有关如何计算这些评分的详细信息可以在这里找到 (提供链接细节超出范围)。
Energy Web 还将为希望参与此解决方案的矿工开发一个新平台。使用这个新平台，绿色矿工可以注册自己并分享他们的绿色（公共）密钥。绿色激励计划的参与者然后可以访问这些信息，以简化收集可用于生成和管理 1-of-n 多重签名支付地址的绿色密钥的过程。
虽然使用 Energy Web 的比特币绿色证明验证平台是识别绿色矿工的务实解决方案，但也存在其他解决方案，可以更去中心化地识别和引入这些矿工。例如，可以鼓励其他认证机构向比特币矿工颁发互操作凭证，作为绿色激励计划可持续性的证明。
我们成功地与一家比特币矿企 DMG 区块链解决方案公司 (DMG) 测试了该解决方案背后的想法。DMG 是一家上市的垂直整合区块链和加密货币公司，其管理、运营和开发端到端的数字解决方案，以实现区块链生态系统的变现。
在测试中，我们广播了多个低费率交易，以观察该解决方案在不同链上交易量水平下的运行效果。我们的预期是，这些交易的确认时间会很长，或者最终会被网络丢弃，这取决于交易量。这将增加绿色矿工拾取这些交易的机会。我们还想要测试矿工识别绿色交易、将其包含在区块中以及在同一区块内添加另一个单独交易以领取奖励的能力。以下部分我们将讨论一个示例测试。
我们公开广播了两个交易，哈希值分别为 7c60f98157c6d9d958cc90cdf2ae30d67c237e0bb8aab03688f621004ea1a768 和 0a929ba61c72a4f3311102e7c127bb9bddabc0c652ee713a9fc791fd6fab73e1，每个交易都包含 0.0001 BTC 作为绿色奖励发送到支付地址 32orJvB4V7sxH8m6AwwLVBKKGm142UgiYg。当时比特币网络的非优先费率约为 72 sat/vB，这两个交易的费率分别设置为 64.8 sat/vB 和 67.1 sat/vB。
交易广播后不久就进入了 DMG 的内存池。他们能够检测到我们的低费率交易，并将其包含在他们的区块模板中。他们花了两天时间挖出了下一个区块。正如我们所料，在这段时间内没有其他矿工拾取低费率交易。当 DMG 挖出区块时，他们包含了低费率交易，并通过在同一区块中加入交易 8e59cf7d258e08716bfc6d4f54389495d7d62545c5950accc16ae371ab4333c3 领取了绿色奖励。
这验证了我们的信念，即交易可以通过该机制优先路由到绿色矿工，并且这些矿工可以接收指定的奖励。
链上交易可以广播低交易费用或零交易费用，以劝阻非绿色矿工拾取它们。这里我们将讨论每个选项的权衡。
零费用:
交易可能无法路由到任何矿工。一些比特币节点使用费用过滤器来决定中继哪些交易，它们可能会根据费用配置节点忽略或优先级处理交易。具有低费用或零费用的交易可能会被过滤掉，不会被中继到更广泛的网络。
恶意行为者可以用许多零费用交易淹没网络，造成交易泛滥DoS攻击。
优点：可以极大地阻止非绿色矿工拾取我们的交易。
缺点：
足够低的费用:
可以缓解交易泛滥DoS攻击的可能性。
在某些情况下，非绿色矿工仍然可以选择拾取低费用的交易（尤其是在链上交易量较低时）。但是，在这种情况下，非绿色矿工将无法从 1-of-n 多重签名支付地址获得奖励，而任何绿色矿工都可以。
奖励可以被视为激励绿色矿工采用可持续挖矿实践的额外动力（尽管更多的是一种间接赠款形式）。
优点：
缺点：非绿色矿工偶尔可能会挖到这些交易。
随着越来越多的绿色矿工加入到解决方案中，非绿色矿工挖到这些交易的可能性应该会进一步降低。此外，即使非绿色矿工挖到了低费用交易，绿色矿工也可以通过广播赎回交易来赚取奖励。绿色矿工仍然有动力自己挖矿，因为这样可以保证自己获得奖励，而不是来自多重签名集合中的另一个绿色矿工。
因此，交易通常应该广播一个足够低的交易费用，既可以劝阻非绿色矿工拾取绿色交易，又足以被中继到更广泛的比特币网络，并能够减轻交易泛滥DoS攻击的可能性。
随着越来越多的绿色矿工加入，锁定在 1-of-n 多重签名中的比特币的赎回交易大小可能会增加。这是因为（取决于多重签名实现）赎回脚本的大小可能与 n 的大小直接成正比。 由于矿工需要在区块中添加额外的交易来领取奖励，因此该解决方案还需要额外的区块链空间。 在比特币生态系统中，区块链空间是一种宝贵的资源。 为了有效利用区块链空间，我们可以实施以下步骤来确保赎回脚本具有空间效率：
a) 首先将矿工组织成 m 个组。 如果有 N 个矿工，每个组理想情况下将包含 N/m 个矿工。 为实现这一点，请选择一个合适的 m 值，确保 N/m 的余数最小化（理想情况下为零）。
b) 对于要广播的每个新交易，循环迭代遍历 m 个组以选择下一组矿工，获取他们的公钥，并将其用于 1-of-n 多重签名脚本中，其中 n 是该组中的矿工数量。 例如，如果有 7 个（即 N = 7）绿色矿工，可以选择创建 3 个（即 m = 3）组，并在第一组中调整剩余的一个矿工。 因此，第一组将有 n = 3 个矿工，而剩下的两组将每组有 n = 2 个矿工。
这将确保赎回比特币的交易大小受限于组中的矿工数量。 我们需要用这种选择权做的权衡是，它会将可以从 N 处收集奖励的矿工数量减少到 ceil(N/m)。 如果一组中的特定矿工数量（即 n）的算力有限或 n 足够小，则可能导致交易确认延迟，如下文所述。
优先考虑绿色矿工可能会导致更长的交易确认时间，因为该解决方案旨在防止非绿色矿工处理我们的交易。 上述第 5.0 节解释的分组方法可能会进一步延长确认时间。 如果交易未在可接受的时间范围内确认，则可以使用类似 RBF (Replace-By-Fee) 和 CPFP (Child-Pays-For-Parent) 的费用增加机制来加快确认，尽管非绿色矿工处理交易的风险会增加。 随着越来越多的绿色矿工加入解决方案，这个问题将得到缓解。
请注意，即使是恶意绿色矿工也可能使用 CPFP 增加交易费用，从而增加非绿色矿工拾取绿色交易的机会。 但是，这种行为可以在链上检测，并且可以采取适当的行动，例如将矿工从解决方案中删除。
由于包含了 1-of-n 多重签名脚本，观察者可以识别哪些交易正在激励矿工。 如果没有很多参与者以这种方式激励绿色矿工，则可能可以将交易与广播交易的特定 VASP 联系起来。 然而，另一方面，这种权衡将允许透明地证明奖励确实支付给了绿色矿工。
矿工要么分组挖矿（这里称为矿池矿工），通过合并他们的计算能力和资源来增加他们成功挖到区块的机会，或者他们可以自己单独挖矿（这里称为个体矿工），而不加入矿池。 对于分组挖矿的矿工，有一个实体称为矿池运营商，负责管理和运营矿池。 矿池运营商通常还负责将奖励分配给为矿池做出贡献的矿工。
对于我们的 1-of-n 多重签名脚本，由于矿池矿工没有决定下一区块将包含哪个交易的权限，因此他们贡献给矿池的绿色密钥无法使用。 因此，他们可能无法认领多重签名脚本中锁定的比特币。 为了解决这个问题，脚本需要引用矿池运营商的密钥，然后运营商会将奖励分配给矿池矿工。 因此，1-of-n 多重签名支付地址将仅使用矿池运营商、个体矿工或两者结合的绿色密钥创建，但不会使用矿池矿工的密钥。
当矿池矿工采用 stratum V2 协议的新特性（它是对矿池挖矿的改进和升级）时，情况可能会发生变化。 这将使他们能够将他们想要包含在区块中的交易包含进来。 因此，他们将不必依赖矿池运营商来认领 1-of-n 多重签名脚本中锁定的比特币，从而使解决方案更加去中心化。 然后，该解决方案将能够在 1-of-n 多重签名脚本中使用矿池矿工的密钥，而不是矿池运营商的密钥。
这里概述的解决方案旨在在分配奖励时实现良好的去中心化、易于实施和独立信任。 没有一个集中实体来分配奖励； 相反，当他们挖出指示的链上交易并包含赎回交易时，他们可以保证获得奖励。 然而，正如之前在“注意事项”部分中提到的，该解决方案要求矿工在区块中添加额外的交易来领取奖励，并且存在一些可能性，即非绿色矿工可能会拾取绿色交易，即使他们无法领取奖励。
虽然我们目前认为这些权衡是可以接受的，但也可以设计替代解决方案，交易和奖励可以通过私有机制而不是使用公共内存池发送给矿工。 闪电网络和智能合约等技术也可以成为解决这些问题的替代方法。
然而，这可能会以依赖信任和更复杂的实施为代价。
随着人们对比特币的兴趣和使用比特币区块链的应用程序数量不断增长，我们应该注意大规模比特币挖矿可能带来的环境影响。 减少比特币工作量证明共识协议碳足迹的一种方法是增加比特币挖矿运营使用低碳能源的使用。 本文提出了一种激励矿工使用这些“更绿色”能源的方法，这种方法与当前的使用方式兼容，同时尽可能地维护比特币协议固有的去中心化模型。 我们希望该解决方案能为围绕比特币及其用例的进一步讨论和创新做出贡献，并欢迎业界对潜在改进的反馈。
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