Targeted Nakamoto: Mengimbangi Keselamatan Rangkaian Bitcoin dan Pelepasan Karbon

Kandungan

• 1 Pengenalan
  • 1.1 Mengimbangi Risiko yang Bersaing
  • 1.2 Pautan kepada kod dan API web
  • 1.3 Literatur Berkaitan
  • 1.4 The research question and design constraints
  • 1.5 Roadmap
• 2 Eksternaliti Kadar Hash
  • 2.1 Kebergantungan
  • 2.2 Network Security
• 3 Targeted Nakamoto - A Mechanism Design Perspective
  • 3.1 Key Building Blocks of Targeted Nakamoto
  • 3.2 Gambaran Keseluruhan Reka Bentuk Mekanisme Protokol
• 4 Model
  • 4.1 The puzzle difficulty signal of hashrate
  • 4.2 Mining equilibrium
• 5 Polisi Ganjaran Blok Sasaran
  • 5.1 Peruntukan Pelarasan Ganjaran Blok
  • 5.2 Isyarat kesukaran teka-teki dan titik pertukaran dasar
  • 5.3 Dasar untuk mengawal kadar hash
• 6 Kesan Strategik Dasar Pelarasan Blok
  • 6.1 Kestabilan Keseimbangan Pelombong
  • 6.2 Pelarasan Dinamik Hashrate
• 7 Neutraliti Monetari
  • 7.1 Dasar Monetari Sasaran
• 8 Kesimpulan
• 9 Analisis Asli
• 10 Butiran Teknikal
• 11 Pelaksanaan Kod
• 12 Aplikasi Masa Depan
• 13 Rujukan

1 Pengenalan

Mata wang kripto rantaian blok Proof-of-Work (PoW) seperti Bitcoin memerlukan aplikasi kuasa pengkomputeran oleh pelombong untuk mengendalikan rangkaian. Pelombong menyusun blok dan bersaing untuk menyelesaikan teka-teki yang ditetapkan oleh kod. Bilangan tekaan teka-teki (satu hash setiap tekaan) yang dibuat oleh komputer perlombongan dalam selang masa tertentu ialah kadar hashnya, yang menggunakan elektrik.

1.1 Mengimbangi Risiko yang Bersaing

Bitcoin menghadapi dua risiko kewujudan yang bercanggah: buat masa ini, penggunaan tenaga perlombongan yang tinggi mengundang tindak balas politik; pada masa depan, pengurangan ganjaran pelombong akan menyebabkan kadar hash menurun, merendahkan kos serangan. Nakamoto yang disasarkan mengimbangi kebimbangan ini dengan memandu kadar hash ke arah sasaran yang dipilih.

1.2 Pautan kepada kod dan API web

Kristian Praizner menulis kode untuk algoritma kendali hashrate dan mengimplementasikannya pada API yang merupakan pendamping makalah ini.

1.3 Literatur Berkaitan

Kertas kajian ini membina penyelidikan sedia ada dalam reka bentuk mekanisme rantaian blok dan penambahbaikan protokol Bitcoin, dengan memetik karya tentang pengoptimuman PoW dan model keselamatan rangkaian.

1.4 The research question and design constraints

Bagaimana untuk mereka bentuk protokol yang mengekalkan keselamatan Bitcoin sambil mengurangkan kesan alam sekitar, tanpa melanggar neutraliti kewangan atau mencipta vektor serangan baharu.

1.5 Roadmap

Kertas ini meneruskan dengan menganalisis eksternalitas hashrate, memperkenalkan mekanisme Nakamoto yang Ditargetkan, memodelkan kesannya, dan membincangkan pertimbangan pelaksanaan.

2 Eksternaliti Kadar Hash

Aktiviti perlombongan mencipta dua eksternaliti utama: keselamatan rangkaian (positif) dan pelepasan karbon (negatif). Hashrate yang lebih tinggi meningkatkan keselamatan tetapi juga meningkatkan penggunaan tenaga.

2.1 Kebergantungan

Kadar hash bergantung pada ganjaran blok, kos elektrik, dan kecekapan perkakasan perlombongan. Hubungannya mengikut: $H = f(R, C_e, E)$ di mana $H$ ialah kadar hash, $R$ ialah ganjaran blok, $C_e$ ialah kos elektrik, dan $E$ ialah kecekapan perkakasan.

2.2 Network Security

Network security cost decreases with hashrate: $S_c = \frac{k}{H}$ where $S_c$ is security cost and $k$ is a constant. Higher hashrate makes 51% attacks more expensive.

3 Targeted Nakamoto - A Mechanism Design Perspective

Targeted Nakamoto ialah protokol yang memberi insentif kepada pelombong untuk menumpukan hashrate dalam julat kos minimum dengan mengehadkan ganjaran blok apabila melebihi sasaran dan mengenakan ganjaran blok minimum apabila di bawah sasaran.

3.1 Key Building Blocks of Targeted Nakamoto

Protokol menggunakan ganjaran blok boleh laras, pencetus berasaskan kesukaran, dan mekanisme neutraliti kewangan untuk mengekalkan integriti sistem sambil mengawal kadar hash.

3.2 Gambaran Keseluruhan Reka Bentuk Mekanisme Protokol

Reka bentuk mengikut prinsip serasi insentif di mana pelombong didorong secara ekonomi untuk mengekalkan kadar hash hampir dengan paras sasaran tanpa penyelarasan pusat.

4 Model

Model matematik memformalkan hubungan antara hashrate, ganjaran blok, dan parameter rangkaian untuk meramal kelakuan sistem di bawah protokol yang dicadangkan.

4.1 The puzzle difficulty signal of hashrate

Kesukaran rangkaian $D$ berfungsi sebagai proksi bagi hashrate: $D \propto H$. Protokol menggunakan pengukuran kesukaran untuk mencetuskan pelarasan ganjaran apabila $D$ menyimpang daripada sasaran $D_t$.

4.2 Mining equilibrium

Keseimbangan perlombongan tercapai apabila $R \times P_s = C_e \times E \times H$ di mana $P_s$ ialah kebarangkalian menyelesaikan teka-teki. Protokol melaraskan $R$ untuk mengekalkan $H$ hampir dengan tahap optimum.

5 Polisi Ganjaran Blok Sasaran

Inovasi teras: dasar ganjaran blok dinamik yang melaraskan berdasarkan kadar hash semasa berbanding sasaran.

5.1 Peruntukan Pelarasan Ganjaran Blok

Apabila kadar hash melebihi sasaran: $R_{actual} = R_{base} - \Delta R$. Apabila kadar hash di bawah sasaran: $R_{actual} = R_{base} + \Delta R$.

5.2 Isyarat kesukaran teka-teki dan titik pertukaran dasar

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 Dasar untuk mengawal kadar hash

Algoritma kawalan menggunakan maklum balas berkadar-kamiran untuk mengurangkan ayunan dan mengekalkan kadar hash yang stabil sekitar paras sasaran.

6 Kesan Strategik Dasar Pelarasan Blok

Dasar ini mewujudkan insentif ekonomi yang boleh diramal yang membimbing tingkah laku pelombong ke arah tahap hashrate yang optimum secara sosial.

6.1 Kestabilan Keseimbangan Pelombong

Analisis menunjukkan sistem menumpu kepada keseimbangan stabil apabila faedah keselamatan marginal menyamai kos alam sekitar marginal.

6.2 Pelarasan Dinamik Hashrate

Simulasi menunjukkan hashrate bertindak balas terhadap pelarasan ganjaran dalam tempoh 2-3 kali pelarasan kesukaran, membuktikan penumpuan pantas ke sasaran.

7 Neutraliti Monetari

Neutraliti monetari dikekalkan melalui pelarasan berkadar dalam potensi perbelanjaan di kalangan pemegang UTXO, mengimbangi penambahan dan pengurangan kepada ganjaran blok.

7.1 Dasar Monetari Sasaran

Protokol menggunakan pelarasan set UTXO untuk memastikan jumlah bekalan wang kekal tidak berubah walaupun terdapat variasi ganjaran blok: $\sum UTXO_{nilai} = pemalar$.

8 Kesimpulan

Targeted Nakamoto mewakili pendekatan yang menjanjikan untuk menyeimbangkan kebutuhan keamanan Bitcoin dengan keprihatinan lingkungan, menyediakan kerangka kerja untuk operasi blockchain PoW yang berkelanjutan.

9 Analisis Asli

Tepat pada sasaran:Targeted Nakamoto cuba menyelesaikan paradoks kelestarian asas Bitcoin, tetapi kerumitan pelaksanaan mungkin mengatasi faedah teorinya. Ini adalah satu lagi penyelesaian akademik yang mencari masalah dunia sebenar.

Rantaian logik:Argumen teras kertas ini mengikuti logik ekonomi yang jelas: hashrate mencipta faedah keselamatan dan kos alam sekitar → hashrate optimum meminimumkan jumlah kos → pelarasan protokol boleh memandu pelombong ke optimum ini. Walau bagaimanapun, rantaian terputus pada pelaksanaan. Seperti banyak kertas reka bentuk mekanisme (serupa dengan idea elegan tetapi tidak praktikal dalam penyelidikan CycleGAN awal), keindahan matematik tidak diterjemahkan kepada realiti rantaian blok. Andaian bahawa pelombong akan menerima manipulasi ganjaran secara pasif mengabaikan dinamik kompetitif yang mendorong perlombongan Bitcoin.

Sorotan dan Kelemahan:Mekanisme neutraliti monetari adalah benar-benar inovatif - penggunaan pelarasan UTXO untuk mengimbangi perubahan ganjaran menunjukkan pemahaman mendalam tentang seni bina Bitcoin. Ini mengatasi cadangan yang lebih mudah seperti bom kesukaran awal Ethereum. Walau bagaimanapun, cadangan itu mengalami perangkap perancangan pusat yang sama yang direka untuk dielakkan oleh Bitcoin. Menetapkan hashrate "optimum" memerlukan jenis pertimbangan subjektif yang dihapuskan oleh sistem terdesentralisasi. Indeks Penggunaan Elektrik Bitcoin Cambridge menunjukkan Bitcoin kini menggunakan ~100 TWh setahun - siapa yang berhak memutuskan apa nombor "betul" sepatutnya?

Implikasi Tindakan:Untuk pemaju: kaji mekanisme pelarasan UTXO untuk aplikasi lain, tetapi elakkan aspek perancangan berpusat. Untuk pelombong: bersedia untuk struktur ganjaran yang lebih canggih muncul. Untuk penyelidik: tumpu pada penyelesaian yang kurang mengganggu seperti integrasi tenaga boleh diperbaharui. Komuniti Bitcoin harus melihat ini sebagai eksperimen pemikiran yang menarik dan bukannya laluan peningkatan praktikal. Seperti yang telah ditunjukkan oleh proses pembangunan Bitcoin Core (rujukan: model tadbir urus Cadangan Peningkatan Bitcoin), penyelesaian akademik yang elegan jarang bertahan selepas bersentuhan dengan falsafah peningkatan konservatif Bitcoin.

10 Butiran Teknikal

Protokol menggunakan pendekatan teori kawalan dengan persamaan asas: $H_{t+1} = H_t + \beta(R_t - C(H_t))$ di mana $\beta$ ialah kelajuan pelarasan, $R_t$ ialah ganjaran semasa, dan $C(H_t)$ ialah fungsi kos perlombongan. Kadar hash optimum $H^*$ menyelesaikan: $\min_H [\alpha \cdot SecurityCost(H) + (1-\alpha) \cdot EnvironmentalCost(H)]$ di mana $\alpha$ ialah parameter pertukaran keselamatan-emisi.

11 Pelaksanaan Kod

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_set

12 Aplikasi Masa Depan

Mekanisme ini boleh disesuaikan untuk blockchain PoW lain yang menghadapi cabaran kelestarian yang serupa. Aplikasi potensi termasuk: Ethereum Classic, Litecoin, dan platform blockchain industri yang baru muncul. Teknik pelarasan UTXO juga boleh digunakan untuk melaksanakan dasar kewangan dalam mata wang digital bank pusat.

13 Rujukan

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System
2. Cambridge Centre for Alternative Finance (2023). Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index
3. Buterin, V. (2014). Ethereum White Paper
4. Aronoff, D. (2025). Targeted Nakamoto: A Bitcoin Protocol to Balance Network Security and Carbon Emissions
5. Zhu et al. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks (CycleGAN)