ビットコイン、グリーンマイニング、そしてより持続可能な未来の可能性

ブロックチェーン技術に関して最もよく議論されるトピックの 1 つは持続可能性です。ブロックチェーン ネットワーク、特にビットコインなどのプルーフ オブ ワーク (PoW) ネットワークは、大量のエネルギーを消費します。 2024年4月2日時点で、ビットコインのマイニングにより年間約8,500万トンの二酸化炭素相当が排出されると推定されています。新しいブロックチェーンのコンセンサスメカニズムが急速に普及したとしても、ビットコインの PoW アーキテクチャは存続する可能性が高い。

PayPal のブロックチェーン研究グループは、Energy Web および DMG Blockchain Solutions (「DMG」) と戦略的提携を結び、ビットコインマイニングのクリーンエネルギーへの移行を加速する機会を提供します。 Web3 の他の多くのメカニズムと同様に、私たちは暗号経済的インセンティブを活用して、望ましい行動、つまりマイニング作業で低炭素エネルギーを使用するビットコインマイナーを奨励することを提案します。以下にリンクされている完全な研究論文では、持続可能なエネルギーを使用して運営するビットコインマイナーに報酬を与えるだけでなく、参加組織がオンチェーントランザクションを特定のマイナーにルーティングする可能性を高める機会について概説しています。

暗号経済学で望ましい活動を奨励する

合理的なマイナーは暗号経済的インセンティブによって動かされます。彼らは、報酬を得るために投資したリソースよりも価値の高い資産 (ビットコイン BTC) で報酬を得られることを期待しています。ブロックチェーンの歴史における研究のほとんどは、分散型元帳を維持する上で、個々のマイナーの分散型グループが誠実かつ責任を持ってタスクを実行できるようにする方法に焦点を当ててきました。

2008 年以来、ビットコインは分散型マイナーのコミュニティを通じて、堅牢で安全、分散型で検閲に強い台帳の維持を実現してきました。言い換えれば、ビットコインの基本的な暗号経済構造とそのプルーフ・オブ・ワーク合意メカニズムは成功したのです。ここで問題となるのは、コミュニティとして私たちが望む、より環境的に持続可能な行動を促進するために、基本的なプルーフ・オブ・ワークのメカニズムに加えて、追加の暗号経済的インセンティブを追加できるかどうかです。

PayPalのブロックチェーン研究グループのパートナーであるEnergyWebは、ビットコインマイナーがマイニング業務で低炭素認証を取得できるようにするクリーンエネルギー検証プラットフォームを開発した。これらの「グリーンマイナー」には公開鍵（「グリーンキー」と呼びます）が関連付けられており、報酬はこれらのキーに分配されます。オンチェーン取引は、低い取引手数料でブロードキャストによって「グリーンマイナー」にルーティングされますが、ビットコイン報酬の一部はマルチ署名支払いアドレスに「ロック」されます。 「グリーンマイナー」だけが追加の「ロックされた」ビットコイン報酬を受け取る資格があるため、これらを採掘するインセンティブが与えられます。

PayPal ブロッ​​クチェーン研究グループは、既存の強力なネットワークを改善し最適化するために、基本的な暗号経済的インセンティブを再適用する方法を提案することで、人々の好ましい行動に影響を与えることを望んでいます。持続可能性は、今日の世界のほぼすべての新興産業および既存産業において重要なトピックであり、私たちの目標は持続可能な未来における暗号通貨の役割をサポートすることです。

1. はじめに

ビットコインのマイニングは非常にエネルギーを消費するプロセスであり、その二酸化炭素排出量に関する懸念が生じています。 2024 年 4 月 2 日現在、一部のレポートでは年間排出量が二酸化炭素換算で 8,500 万トン (MtCO2e) を超えると推定されています。

このような重大な影響の理由は、ビットコイン ネットワークのセキュリティを保護するために使用される「プルーフ オブ ワーク (PoW)」コンセンサス メカニズムです。 PoW メカニズムでは、マイナーはブロックのソリューション (つまり、暗号化ハッシュ値) を見つけるために競争しますが、そのためには、特定用途向け集積回路 (ASIC) マシンなどの強力なコンピューティング ハードウェアが必要です。より多くのマイナーがマイニング競争に参加するにつれて、ブロックの解決策を見つけるのが難しくなる傾向があります。プルーフ・オブ・ワークのメカニズムには継続的な強力な計算能力が必要であり、必然的に大量の電力消費につながります。マイナーが電力を生成するために炭素ベースのエネルギーを使用することは、ビットコイン ネットワークの炭素排出量に貢献します。

この論文では、鉱山労働者に低炭素エネルギーの使用を奨励する解決策を提案しています。この提案は、信頼できる第三者から独立した方法で（つまり、報酬を受け取るために第三者を信頼する必要がない方法で）検証可能な低炭素エネルギーを採掘に使用するマイナーに報酬を与えるというものです。さらに、このスキームは、オンチェーントランザクションをそのようなマイナーにルーティングする可能性を高めることを目指しています。これは、より環境に優しい採掘をサポートするだけでなく、他の採掘者がクリーンエネルギーに切り替えることを奨励するものでもあります。この移行を促進することで、このソリューションは、クリーンエネルギーを使用するマイナーに報酬を与え、ネットワークの適切な分散化と強力なセキュリティを維持することで、長期的にビットコイン ネットワークの脱炭素化をサポートすることを目指しています。

2. ソリューションの概要

要約すると、このソリューションでは、低排出エネルギーを使用するマイナーを特定し、オンチェーン トランザクションを最初にこれらのマイナーにルーティングし、オンチェーン トランザクションに添付された 1/n マルチ署名スクリプトを使用してマイナーに報酬を与えます (つまり、n 人のマイナーの誰でもそれらのビットコインを使用できます)。具体的な手順は次のとおりです。

1. グリーン鉱山労働者の特定: 最初のステップは、採掘作業で十分な割合の低炭素エネルギーを使用している鉱山労働者を特定することです。この記事では、これらのマイナーを「グリーンマイナー」と呼びます。これらを識別する方法と、エネルギー使用が適切かどうかを判断する方法については、以下のセクション 3 で説明します。

2. グリーン キー: グリーン マイナーが特定されたら、次のステップは、報酬の分配に使用される公開キーを取得することです。この記事では、これらの公開鍵を「グリーン キー」と呼んでいますが、マイナーがブロック報酬を収集するために使用するキーとは異なる可能性があります。

3. マルチ署名支払いアドレス: グリーン キーは、さまざまなグリーン マイナーから単一の 1/n マルチ署名アドレス (支払いアドレスとして指定) に集約され、マイナーにビットコイン建ての報酬を分配するために使用されます。したがって、グリーンマイナーが n 人いる場合、グリーンキーは n 個存在しますが、1/n マルチ署名支払いアドレスは 1 つだけになります。この支払いアドレスにより、どの Green マイナーも報酬を請求できるようになります。セクション 3 では、グリーン キーと支払いアドレスの管理について説明します。

4. グリーンマイナーへのルーティングトランザクションを優先する: グリーンマイナーへのルーティングトランザクションを優先するために、オンチェーントランザクションはより低いトランザクション手数料でブロードキャストされます (詳細は下記を参照)。オンチェーントランザクションには、グリーンマイナーを奨励するための報酬として、1/n マルチシグ支払いアドレスにロックされたビットコインを含む別の UTXO が添付されています。取引手数料が低いため、ほとんどのマイナーはこれらの取引を利益を上げて処理することはできませんが、これらの取引を見つけることができるグリーンマイナーは追加の報酬を受け取る資格があります（以下、図の「A」に示すように、グリーン取引と呼びます）。

5. グリーンマイニングのインセンティブメカニズム: グリーンマイナーは、メモリプールでトランザクションを受信すると、マルチ署名支払いアドレスに基づいてそれをグリーントランザクションとして識別します。マイナーは、ブロックを組み立てるときにこのトランザクションを含め、支払いアドレスにロックされているビットコインの UTXO を消費するために、同じブロックに別の償還トランザクションを含める必要があります (下の図では「D」で示されています)。この追加トランザクションには、Green Miner に属する受信者アドレスが含まれます。

したがって、グリーントランザクションを含め、トランザクションを償還し、次のブロックを正常にマイニングしたグリーンマイナーだけが、ビットコイン報酬を受け取ることが保証されます。前述のように、取引手数料が低いと非グリーンマイナーはこれらのオンチェーン取引を優先できませんが、グリーンマイナーはブロックを獲得するとマルチ署名支払いアドレスにロックされたビットコイン報酬を受け取ることができるため、これらの取引を優先したいと考えています。これにより、オンチェーントランザクションがグリーンマイナーにルーティングされる可能性が高まり、ブロックを獲得したときにインセンティブが与えられます。

3. グリーンマイナーを特定する

グリーンマイナーを特定し、ソリューションに組み込むために、Energy Web などのプロバイダーのソリューションを活用できます。 Energy Web は、エネルギー移行の加速に取り組む世界的な非営利団体です。彼らの「ビットコイン・グリーン・プルーフ」イニシアチブは、透明性を促進し、ビットコインのマイニングと世界的な脱炭素化の取り組みの間の調整を支援することを目的としています。マイナーは、Bitcoin Green Proof 検証プラットフォームを使用して、持続可能なマイニング認証を申請し、共有することができます。マイナーは、これらの認証と基礎となる持続可能性データを暗号通貨市場の参加者やビジネス パートナーに選択的に開示できます。

マイナーは、クリーン エネルギー スコアまたはグリッド インパクト スコアが 50 以上であれば、Bitcoin Green Proof 認証を取得できます。これらの評価の計算方法の詳細については、こちらをご覧ください (詳細へのリンクを提供することは範囲外です)。

Energy Web は、このソリューションに参加したいマイナー向けに新しいプラットフォームも開発する予定です。この新しいプラットフォームを使用すると、グリーンマイナーは自分自身を登録し、グリーン（公開）キーを共有できます。グリーン インセンティブ プログラムの参加者は、この情報にアクセスして、1/n マルチ署名支払いアドレスの生成と管理に使用できるグリーン キーの収集プロセスを効率化できます。

Energy Web の Bitcoin Green Proof 検証プラットフォームを使用することは、グリーンマイナーを識別するための実用的なソリューションですが、より分散化された方法でこれらのマイナーを識別してオンボードできる他のソリューションも存在します。たとえば、他の認証機関は、グリーンインセンティブプログラムの持続可能性の証明として、ビットコインマイナーに相互運用性証明書を発行するよう奨励される可能性があります。

4. テストマイナーの参加

私たちは、ビットコインマイニング会社であるDMG Blockchain Solutions (DMG) とこのソリューションの背後にあるアイデアをテストし、成功しました。 DMG は、ブロックチェーン エコシステムを収益化するためのエンドツーエンドのデジタル ソリューションを管理、運用、開発する、上場企業であり、垂直統合型のブロックチェーンおよび暗号通貨企業です。

テストでは、複数の低料金トランザクションをブロードキャストして、さまざまなレベルのオンチェーン トランザクション量でソリューションがどのように機能するかを観察します。これらのトランザクションは、トランザクション量に応じて、確認に長い時間がかかるか、最終的にはネットワークによって削除されると予想されます。これにより、グリーンマイナーがこれらのトランザクションを取得する可能性が高まります。また、マイナーがグリーントランザクションを識別し、それをブロックに含め、同じブロック内に別のトランザクションを追加して報酬を請求する能力もテストしたいと考えました。次のセクションでは、テストの例について説明します。

4.1 テストのセットアップ

ハッシュ 7c60f98157c6d9d958cc90cdf2ae30d67c237e0bb8aab03688f621004ea1a768 と 0a929ba61c72a4f3311102e7c127bb9bddabc0c652ee713a9fc791fd6fab73e1 を持つ 2 つのトランザクションを公開ブロードキャストしました。各トランザクションにはグリーン報酬として 0.0001 BTC が含まれており、支払いアドレス 32orJvB4V7sxH8m6AwwLVBKKGm142UgiYg に送信されました。当時、ビットコイン ネットワーク上の非優先手数料率は約 72 sat/vB で、2 つのトランザクションの手数料はそれぞれ 64.8 sat/vB と 67.1 sat/vB に設定されていました。

4.2 テスト結果

トランザクションはブロードキャストされた直後に DMG メモリプールに入りました。彼らは私たちの低料金の取引を検出し、それをブロックテンプレートに含めることができました。次のブロックを採掘するのに2日かかりました。予想通り、この期間中に低手数料の取引を拾ったマイナーは他にいませんでした。 DMG がブロックをマイニングしたとき、低料金のトランザクションを含め、同じブロックにトランザクション 8e59cf7d258e08716bfc6d4f54389495d7d62545c5950accc16ae371ab4333c3 を追加することでグリーン報酬を請求しました。

これは、このメカニズムを通じてトランザクションがグリーンマイナーに優先的にルーティングされ、これらのマイナーが指定された報酬を受け取ることができるという私たちの信念を裏付けています。

5. 注意事項

5.1 低料金と無料料金

オンチェーントランザクションでは、非グリーンマイナーがトランザクションを選択しないように、低いトランザクション手数料またはゼロのトランザクション手数料をブロードキャストできます。ここでは、各オプションのトレードオフについて説明します。

• 手数料無料:

• トランザクションはどのマイナーにもルーティングされない可能性があります。一部の Bitcoin ノードは、手数料フィルターを使用してどのトランザクションを中継するかを決定し、手数料に基づいてトランザクションを無視または優先するようにノードを構成する場合があります。手数料が低い、または手数料が無料の取引はフィルタリングされ、より広範なネットワークに中継されない場合があります。

• 悪意のある行為者は、多数の手数料無料のトランザクションをネットワークに大量に送信し、トランザクション フラッド DoS 攻撃を引き起こす可能性があります。

• 利点: 非グリーンマイナーがトランザクションを取得するのを大幅に阻止できます。

• 欠点:

• 十分に低い手数料:

• トランザクション フラッディング DoS 攻撃の可能性を軽減できます。

• 場合によっては、非グリーンマイナーが依然として低料金のトランザクションを選択することもあります (特にオンチェーンのトランザクション量が少ない場合)。ただし、この場合、非グリーンマイナーは 1-of-n マルチ署名支払いアドレスから報酬を受け取ることができませんが、グリーンマイナーは受け取ることができます。

• この報酬は、環境に配慮した鉱山労働者が持続可能な採掘慣行を採用するための追加的なインセンティブとして考えることができます（間接的な形の助成金ではありますが）。

• アドバンテージ：

• デメリット: 非グリーンマイナーがこれらのトランザクションをマイニングする場合があります。

より多くのグリーンマイナーがソリューションに参加するにつれて、非グリーンマイナーがこれらのトランザクションをマイニングする可能性はさらに減少するはずです。さらに、非グリーンマイナーが低料金のトランザクションをマイニングした場合でも、グリーンマイナーは償還トランザクションをブロードキャストすることで報酬を獲得できます。グリーンマイナーは、マルチシグセット内の別のグリーンマイナーからではなく、報酬を受け取ることが保証されるため、独自にマイニングするインセンティブが依然としてあります。

したがって、トランザクションは通常、非グリーンマイナーがグリーントランザクションを拾うことを思いとどまらせるのに十分低く、かつより広範なビットコインネットワークに中継され、トランザクションフラッド DoS 攻撃の可能性を軽減するのに十分なほど高いトランザクション手数料でブロードキャストされる必要があります。

5.2 ストレージスペース

より多くのグリーンマイナーが参加するにつれて、1-of-n マルチシグにロックされたビットコインの償還トランザクション サイズは増加する可能性があります。これは、（マルチシグ実装に応じて）引き換えスクリプトのサイズが n のサイズに正比例する可能性があるためです。このソリューションでは、マイナーが報酬を請求するためにブロックに追加のトランザクションを追加する必要があるため、追加のブロックチェーン スペースも必要になります。ビットコインのエコシステムでは、ブロックチェーン空間は貴重なリソースです。ブロックチェーンのスペースを効率的に使用するために、次の手順を実装して、引き換えスクリプトがスペース効率に優れていることを確認できます。

a) まず、鉱夫たちを m 個のグループに編成します。 N 人のマイナーがいる場合、各グループには理想的には N/m 人のマイナーが含まれます。これを実現するには、N/m の残りが最小化される (理想的にはゼロ) ような m の値を選択します。

b) ブロードキャストされる新しいトランザクションごとに、ループが m グループを反復処理して次のマイナーのセットを選択し、その公開鍵を取得して、1/n マルチ署名スクリプトで使用します。ここで、n はグループ内のマイナーの数です。たとえば、緑のマイナーが 7 台 (つまり N = 7) ある場合、3 台 (つまり m = 3) のグループを作成し、最初のグループの残りのマイナーを調整することができます。したがって、最初のグループには n = 3 人のマイナーが含まれ、残りの 2 つのグループにはそれぞれ n = 2 人のマイナーが含まれます。

これにより、ビットコインを引き換えるためのトランザクション サイズがグループ内のマイナーの数に制限されるようになります。このオプションで行う必要があるトレードオフは、報酬を収集できるマイナーの数が N から ceil(N/m) に減少することです。グループ内の特定の数のマイナー (つまり n) の計算能力が限られている場合、または n が十分に小さい場合、以下に説明するように、トランザクションの確認遅延が発生する可能性があります。

5.3 取引確認時間

このソリューションは、非グリーンマイナーがトランザクションを処理できないように設計されているため、グリーンマイナーを優先すると、トランザクションの確認時間が長くなる可能性があります。上記のセクション 5.0 で説明したグループ化方法により、確認時間がさらに長くなる可能性があります。トランザクションが許容可能な時間枠内に確認されない場合、RBF (Replace-By-Fee) や CPFP (Child-Pays-For-Parent) などの手数料増加メカニズムを使用して確認を高速化できますが、非グリーンマイナーがトランザクションを処理するリスクが高まります。より多くのグリーンマイナーがこのソリューションに参加すると、この問題は緩和されます。

悪意のあるグリーンマイナーであっても、CPFP を使用してトランザクション手数料を引き上げることができるため、非グリーンマイナーがグリーントランザクションを取得する可能性が高くなることに注意してください。ただし、この動作はオンチェーンで検出され、マイナーをソリューションから削除するなどの適切なアクションを実行できます。

5.4 プライバシー

1-of-n マルチ署名スクリプトが組み込まれているため、観察者はどのトランザクションがマイナーにインセンティブを与えているかを識別できます。このようにグリーンマイナーにインセンティブを与える参加者があまりいない場合、トランザクションをブロードキャストする特定の VASP にトランザクションを結び付けることが可能になるかもしれません。しかし一方で、このトレードオフにより、グリーンマイナーに報酬が実際に支払われたという透明な証明が可能になります。

5.5 マイニングプールと個人マイナー

マイナーは、計算能力とリソースを組み合わせてブロックのマイニングに成功する確率を高めるためにグループで作業することも (ここではプール マイナーと呼びます)、プールに参加せずに単独で作業することもできます (ここでは個々のマイナーと呼びます)。グループでマイニングを行うマイナーには、マイニングプールの管理と運営を担当するマイニングプールオペレーターと呼ばれる組織が存在します。マイニング プールの運営者は通常、プールに貢献するマイナーに報酬を分配する責任も負います。

1-of-n マルチ署名スクリプトの場合、プールのマイナーには次のブロックにどのトランザクションを含めるかを決定する権限がないため、マイナーがプールに提供するグリーン キーは使用できません。したがって、マルチ署名スクリプトでロックされたビットコインを請求できない可能性があります。この問題を解決するには、スクリプトがプール オペレーターのキーを参照する必要があり、これによりプールのマイナーに報酬が分配されます。したがって、1/n マルチ署名支払いアドレスは、プール マイナーのキーではなく、プール オペレーターのグリーン キー、個々のマイナー、またはその両方の組み合わせのみを使用して作成されます。

プールマイナーが、プールマイニングの改善とアップグレードである Stratum V2 プロトコルの新機能を採用すると、状況が変わる可能性があります。これにより、必要なトランザクションをブロックに含めることができます。したがって、1-of-n マルチ署名スクリプトでロックされたビットコインを要求するためにマイニング プール オペレーターに頼る必要がなくなり、ソリューションがより分散化されます。このソリューションでは、1-of-n マルチ署名スクリプトでプール オペレーターのキーの代わりにプール マイナーのキーを使用できるようになります。

6. 代替方法

ここで概説するソリューションは、優れた分散化、実装の容易さ、報酬の分配における独立した信頼を実現することを目的としています。報酬を分配する中央集権的な組織は存在しません。代わりに、指定されたオンチェーントランザクションをマイニングし、償還トランザクションを含めると、報酬を受け取ることが保証されます。ただし、「注記」セクションで前述したように、このソリューションでは、マイナーが報酬を請求するためにブロックに追加のトランザクションを追加する必要があり、非グリーンマイナーが報酬を請求できないにもかかわらずグリーントランザクションを取得する可能性があります。

現時点では、これらのトレードオフは許容できると考えていますが、パブリック メモリ プールを使用するのではなく、プライベート メカニズムを介してトランザクションと報酬をマイナーに送信できる代替ソリューションを設計することもできます。ライトニング ネットワークやスマート コントラクトなどのテクノロジーも、これらの問題に対する代替ソリューションとなり得ます。

ただし、これには信頼への依存とより複雑な実装という犠牲が伴う可能性があります。

7. 結論

ビットコインへの関心とビットコイン ブロックチェーンを使用するアプリケーションの数が増え続けるにつれて、大規模なビットコイン マイニングが環境に及ぼす潜在的な影響に留意する必要があります。ビットコインのプルーフ・オブ・ワーク合意プロトコルの二酸化炭素排出量を削減する一つの方法は、ビットコインのマイニング作業における低炭素エネルギー源の使用を増やすことです。この論文では、ビットコイン プロトコルに固有の分散型モデルを可能な限り維持しながら、現在の使用法と互換性のあるこれらの「よりグリーンな」エネルギー源を使用するようにマイナーにインセンティブを与える方法を提案します。このソリューションがビットコインとそのユースケースに関するさらなる議論と革新に貢献することを願っており、潜在的な改善点に関する業界からのフィードバックを歓迎します。