Inhaltsverzeichnis
- 1 Einführung
- 2 Hashrate Externalities
- 3 Targeted Nakamoto - Eine mechanismusdesign-theoretische Perspektive
- 4 Das Modell
- 5 Die zielgerichtete Blockbelohnungsstrategie
- 6 Strategische Auswirkungen der Blockanpassungsrichtlinie
- 7 Monetäre Neutralität
- 8 Fazit
- 9 Original Analysis
- 10 Technische Details
- 11 Code-Implementierung
- 12 Zukünftige Anwendungen
- 13 References
1 Einführung
Proof-of-Work (PoW)-Blockchain-Kryptowährungen wie Bitcoin erfordern den Einsatz von Rechenleistung durch Miner, um das Netzwerk zu betreiben. Miner bauen Blöcke zusammen und konkurrieren darum, ein durch den Code vorgegebenes Rätsel zu lösen. Die Anzahl der Rätselversuche (ein Hash pro Versuch), die ein Mining-Computer in einem bestimmten Zeitintervall durchführt, ist seine Hashrate, die Strom verbraucht.
1.1 Abwägung konkurrierender Risiken
Bitcoin sieht sich zwei widersprüchlichen existenziellen Risiken gegenüber: Derzeit führt der hohe Energieverbrauch beim Mining zu politischem Widerstand; künftig wird die Verringerung der Miner-Belohnungen zu einem Rückgang der Hashrate führen und die Kosten für einen Angriff senken. Targeted Nakamoto gleicht diese Bedenken aus, indem er die Hashrate auf ein festgelegtes Ziel lenkt.
1.2 Links to code and web API
Kristian Praizner entwickelte den Code für den Hashrate-Steueralgorithmus und implementierte ihn auf einer API, die diese Arbeit begleitet.
1.3 Related Literature
Die Arbeit baut auf bestehender Forschung in Blockchain-Mechanismusdesign und Bitcoin-Protokollverbesserungen auf und zitiert Arbeiten zu PoW-Optimierung und Netzwerksicherheitsmodellen.
1.4 Die Forschungsfrage und Entwurfsbeschränkungen
Wie ein Protokoll zu entwerfen ist, das die Sicherheit von Bitcoin aufrechterhält, während es die Umweltauswirkungen reduziert, ohne die geldpolitische Neutralität zu verletzen oder neue Angriffsvektoren zu schaffen.
1.5 Fahrplan
Die Abhandlung analysiert Hashrate-Externalitäten, stellt den Targeted Nakamoto-Mechanismus vor, modelliert dessen Auswirkungen und erörtert Implementierungsfragen.
2 Hashrate Externalities
Mining-Aktivitäten erzeugen zwei zentrale Externalitäten: Netzwerksicherheit (positiv) und Kohlenstoffemissionen (negativ). Höhere Hashrate steigert die Sicherheit, erhöht jedoch auch den Energieverbrauch.
2.1 Dependencies
Die Hashrate hängt von Blockbelohnungen, Stromkosten und der Effizienz der Mining-Hardware ab. Die Beziehung folgt: $H = f(R, C_e, E)$, wobei $H$ die Hashrate, $R$ die Blockbelohnung, $C_e$ die Stromkosten und $E$ die Hardware-Effizienz darstellt.
2.2 Netzwerksicherheit
Die Netzwerksicherheitskosten sinken mit der Hashrate: $S_c = \frac{k}{H}$, wobei $S_c$ die Sicherheitskosten und $k$ eine Konstante ist. Eine höhere Hashrate macht 51%-Angriffe teurer.
3 Targeted Nakamoto - Eine mechanismusdesign-theoretische Perspektive
Targeted Nakamoto ist ein Protokoll, das Miner dazu anregt, ihre Hashrate im Bereich der minimalen Kosten zu konzentrieren, indem Blockbelohnungen bei Überschreiten des Ziels begrenzt und bei Unterschreiten eine Mindestblockbelohnung festgelegt werden.
3.1 Zentrale Bausteine des Targeted Nakamoto
Das Protokoll nutzt anpassbare Blockbelohnungen, schwierigkeitsbasierte Auslöser und monetäre Neutralitätsmechanismen, um die Systemintegrität bei gleichzeitiger Kontrolle der Hashrate aufrechtzuerhalten.
3.2 Überblick über den Mechanismusentwurf der Protokolle
Das Design folgt anreizkompatiblen Prinzipien, bei denen Miner wirtschaftlich motiviert sind, die Hashrate ohne zentrale Koordination nahe dem Zielniveau zu halten.
4 Das Modell
Das mathematische Modell formalisiert die Beziehung zwischen Hashrate, Blockbelohnungen und Netzwerkparametern, um das Systemverhalten unter dem vorgeschlagenen Protokoll vorherzusagen.
4.1 Das Puzzle-Schwierigkeitssignal der Hashrate
Netzwerkschwierigkeit $D$ dient als Indikator für die Hashrate: $D \propto H$. Das Protokoll nutzt Schwierigkeitsmessungen, um Belohnungsanpassungen auszulösen, wenn $D$ vom Zielwert $D_t$ abweicht.
4.2 Mining-Gleichgewicht
Mining equilibrium tritt auf, wenn $R \times P_s = C_e \times E \times H$, wobei $P_s$ die Wahrscheinlichkeit zur Lösung des Puzzles darstellt. Das Protokoll passt $R$ an, um $H$ nahe dem optimalen Niveau zu halten.
5 Die zielgerichtete Blockbelohnungsstrategie
Die zentrale Innovation: Eine dynamische Blockbelohnungsrichtlinie, die sich basierend auf der aktuellen Hashrate im Verhältnis zu Zielwerten anpasst.
5.1 Die Zuteilung der Blockbelohnungsanpassungen
Wenn die Hashrate das Ziel überschreitet: $R_{actual} = R_{base} - \Delta R$. Wenn die Hashrate unter das Ziel fällt: $R_{actual} = R_{base} + \Delta R$.
5.2 Das Puzzle-Schwierigkeitssignal und Richtlinien-Umschaltpunkte
Policy triggers activate when $|D - D_t| > \delta$ where $\delta$ is the tolerance threshold. Adjustment magnitude: $\Delta R = \alpha |D - D_t|$ with $\alpha$ as sensitivity parameter.
5.3 Richtlinie zur Steuerung der Hashrate
Der Regelalgorithmus nutzt proportional-integrales Feedback, um Schwingungen zu minimieren und eine stabile Hashrate um den Zielwert zu halten.
6 Strategische Auswirkungen der Blockanpassungsrichtlinie
Die Politik schafft vorhersehbare wirtschaftliche Anreize, die das Verhalten der Miner auf das gesellschaftlich optimale Hashrate-Niveau lenken.
6.1 Stabilität des Miner-Gleichgewichts
Die Analyse zeigt, dass das System zu einem stabilen Gleichgewicht konvergiert, bei dem der marginale Sicherheitsnutzen den marginalen Umweltkosten entspricht.
6.2 Dynamische Anpassung der Hashrate
Simulationen zeigen, dass die Hashrate innerhalb von 2-3 Schwierigkeitsanpassungsperioden auf Belohnungsanpassungen reagiert und eine schnelle Konvergenz zum Zielwert demonstriert.
7 Monetäre Neutralität
Monetäre Neutralität wird durch proportionale Anpassungen der Ausgabefähigkeit unter UTXO-Inhabern aufrechterhalten, wodurch die Zu- und Abnahmen der Blockbelohnung ausgeglichen werden.
7.1 Die zielgerichtete Geldpolitik
Das Protokoll verwendet UTXO-Mengenanpassungen, um sicherzustellen, dass die gesamte Geldmenge trotz Blockbelohnungsschwankungen unverändert bleibt: $\sum UTXO_{value} = constant$.
8 Fazit
Targeted Nakamoto stellt einen vielversprechenden Ansatz dar, um die Sicherheitsanforderungen von Bitcoin mit Umweltbelangen in Einklang zu bringen, und bietet einen Rahmen für nachhaltigen PoW-Blockchain-Betrieb.
9 Original Analysis
Den Nagel auf den Kopf treffen:Targeted Nakamoto versucht, das fundamentale Nachhaltigkeitsparadoxon von Bitcoin zu lösen, aber die Implementierungskomplexität könnte die theoretischen Vorteile überwiegen. Dies ist eine weitere akademische Lösung auf der Suche nach einem praktischen Problem.
Logische Kette:Das Kernargument der Arbeit folgt einer klaren ökonomischen Logik: Hashrate schafft Sicherheitsvorteile und Umweltkosten → optimale Hashrate minimiert Gesamtkosten → Protokollanpassungen können Miner zu diesem Optimum führen. Allerdings bricht die Kette bei der Umsetzung. Wie bei vielen Mechanism-Design-Arbeiten (ähnlich den eleganten, aber unpraktischen Ideen in der frühen CycleGAN-Forschung) überträgt sich die mathematische Schönheit nicht auf die Blockchain-Realität. Die Annahme, Miner würden Belohnungsmanipulationen passiv akzeptieren, ignoriert die Wettbewerbsdynamik, die das Bitcoin-Mining antreibt.
Stärken und Schwächen:Der monetäre Neutralitätsmechanismus ist wirklich innovativ - die Verwendung von UTXO-Anpassungen zur Kompensation von Belohnungsänderungen zeigt ein tiefes Verständnis der Bitcoin-Architektur. Dies übertrifft einfachere Vorschläge wie die frühen Difficulty Bombs von Ethereum. Allerdings leidet der Vorschlag unter denselben Zentralplanungsfallen, die Bitcoin zu vermeiden designed wurde. Die Festlegung der "optimalen" Hashrate erfordert genau die Art subjektiver Beurteilung, die dezentrale Systeme eliminieren. Der Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index zeigt, dass Bitcoin derzeit ~100 TWh pro Jahr verbraucht - wer darf entscheiden, was die "richtige" Zahl sein soll?
Handlungsimplikationen:Für Entwickler: Studieren Sie den UTXO-Anpassungsmechanismus für andere Anwendungen, vermeiden Sie jedoch die Aspekte der Zentralplanung. Für Miner: Bereiten Sie sich auf anspruchsvollere Vergütungsstrukturen vor. Für Forscher: Konzentrieren Sie sich auf weniger invasive Lösungen wie die Integration erneuerbarer Energien. Die Bitcoin-Community sollte dies als interessantes Gedankenexperiment betrachten, nicht als praktischen Upgrade-Pfad. Wie der Bitcoin Core-Entwicklungsprozess gezeigt hat (Referenz: Bitcoin Improvement Proposals Governance-Modell), überleben elegante akademische Lösungen selten die Konfrontation mit Bitcoins konservativer Upgrade-Philosophie.
10 Technische Details
The protocol uses a control theory approach with the fundamental equation: $H_{t+1} = H_t + \beta(R_t - C(H_t))$ where $\beta$ is adjustment speed, $R_t$ is current reward, and $C(H_t)$ is mining cost function. The optimal hashrate $H^*$ solves: $\min_H [\alpha \cdot SecurityCost(H) + (1-\alpha) \cdot EnvironmentalCost(H)]$ where $\alpha$ is the security-emission tradeoff parameter.
11 Code-Implementierung
function calculate_reward_adjustment(current_difficulty, target_difficulty):
deviation = current_difficulty - target_difficulty
if abs(deviation) > THRESHOLD:
adjustment = -SENSITIVITY * deviation
return adjustment
return 0
def update_utxo_set(block_reward_change, utxo_set):
total_adjustment = block_reward_change * BLOCK_INTERVAL
adjustment_factor = 1 + (total_adjustment / utxo_set.total_value)
for utxo in utxo_set:
utxo.value *= adjustment_factor
return utxo_set12 Zukünftige Anwendungen
Der Mechanismus könnte für andere PoW-Blockchains angepasst werden, die ähnlichen Nachhaltigkeitsproblemen gegenüberstehen. Mögliche Anwendungsbereiche umfassen: Ethereum Classic, Litecoin und aufstrebende industrielle Blockchain-Plattformen. Die UTXO-Anpassungstechnik könnte ebenfalls zur Implementierung der Geldpolitik in digitalen Zentralbankwährungen verwendet werden.
13 References
- Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System
- Cambridge Centre for Alternative Finance (2023). Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index
- Buterin, V. (2014). Ethereum White Paper
- Aronoff, D. (2025). Targeted Nakamoto: A Bitcoin Protocol to Balance Network Security and Carbon Emissions
- Zhu et al. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks (CycleGAN)