绿色区块链全面综述：开发下一代节能可持续的区块链系统

《Sustainable Computing: Informatics and Systems》：A comprehensive survey on green blockchain: Developing the next generation of energy efficient and sustainable blockchain systems

　　•对区块链基本组成部分的详细分析，以确定能源消耗的主要软硬件因素。
•针对区块链系统各个组件的最相关节能策略，包括共识机制、网络架构、数据存储与验证、智能合约执行以及挖矿/区块创建。
•讨论了实施节能型区块链的主要挑战和限制，考虑了能源效率与安全性之间的权衡、区块链能源消耗估算的问题、影响能源效率和可持续性的监管与治理方面，以及能源消耗降低对可扩展性/性能的影响。
引言
2008年比特币的提出表明，无需可信第三方即可实现分布式加密货币[1]。这得益于将多个先前概念结合在一起，如工作量证明（PoW）[2]、哈希函数[3]、分布式时间戳[4]和默克尔树[5]。这种技术组合促成了区块链技术的诞生，该技术已被广泛应用于多个领域和应用场景[6]。这些应用的范围从金融[7]、[8]、[9]、[10]到复杂的工业用例[11]、[12]，再到新兴的万物元宇宙（MoE）的高度互联基础设施[13]。
区块链系统实现了一种分布式账本技术（DLT），对于基于PoW共识机制的系统而言，它们因显著的能源消耗而闻名[14]、[15]，因为它们要求部分参与者解决复杂的数学难题以验证交易并保护网络[16]。这是由于Sybil攻击[17]对DLT系统构成的关键问题，攻击者需要创建多个虚假身份来控制区块链上的决策。传统上认为，要控制区块链，需要51%的算力（即所谓的“51%攻击”），但近年来研究人员证明，在像比特币这样的大型区块链中，32%的比例就足够了[18]。为防止此类攻击，许可型区块链可以控制恶意参与者的访问[19]，但在无许可网络中，参与者访问不受限制，需要像PoW共识协议这样的复杂机制。
问题在于，PoW共识协议涉及高计算能力，从而导致大量能源消耗。比特币[1]是最著名的区块链，因其高能耗足迹而备受关注，估计其能源消耗超过了一些国家[20]。事实上，一笔基于PoW的比特币交易所需的能源，相当于一个普通德国家庭数周或数月的用电量[14]。这就是某些欧盟国家要求禁止高能耗区块链活动的原因[21]。这种高能耗也引发了对区块链技术环境影响和可持续性的担忧[22]、[23]。一些研究人员进一步估计，如果像比特币这样的基于PoW的DLT在全球范围内使用，相关排放将导致未来几十年气温上升2°C[24]（这一估计已被其他研究人员批评和驳斥[25]、[26]、[27]，他们得出结论称PoW区块链不构成气候威胁[14]）。
不幸的是，上述关于比特币的所有评估仍然主导着人们对区块链是什么以及需要多少能源才能使其运行的认识，经常出现区块链能源消耗有问题的说法[14]，从而忽视了自2008年比特币问世以来所取得的重大节能改进。事实上，最初实现去中心化货币和支付的比特币区块链被称为“区块链1.0”。其向智能合约和复杂金融资产去中心化交易的演进被称为“区块链2.0”，而超越加密货币、市场和金融的应用开发（尤其是在政府、医疗、科学或艺术等领域）被称为“区块链3.0”[28]。
为了说明上述讨论，图1对比了比特币和其他主要区块链平台的相对能源消耗。感兴趣的读者可以在最近的研究如[29]、[30]中找到关于各种环境可持续性指标的具体数据（例如，CO2排放、冷却用淡水消耗或与某些区块链相关的电子垃圾产生）。
正如前面讨论所示，区块链技术的发展和改进仍在进行中，但由于其对多个领域的影响，仍需要进一步降低其能源消耗：
•环境影响。区块链系统的能源消耗导致碳排放并加剧气候变化[22]。随着社会向更可持续、低碳的未来转型，解决区块链技术的能源消耗问题至关重要[14]。
•能源效率。提高区块链系统的能源效率可以为用户和运营商节省成本[31]。更低的能源消耗意味着更低的运营支出，使区块链技术在经济上更可行、更具吸引力[14]、[32]，特别是在低功耗设备上部署[33]。
•可扩展性和采用。高能耗限制了区块链系统的可扩展性，使其难以处理大量交易[34]，也难以在资源受限的物联网解决方案中部署[35]。通过降低能源消耗，区块链系统可以变得更可扩展，从而更广泛地采用并融入各个行业[36]、[37]。
•社会责任。强调能源效率符合企业社会责任和伦理创新的更广泛原则[38]。如果区块链技术在设计时考虑到环境因素，它可以用于社会公益并产生积极影响[39]。
本文分析了当前的区块链技术及其在能源效率方面的挑战和限制，以创建“绿色区块链”。这个相对且理想化的术语指的是节能且可持续性意识的区块链系统，其设计明确旨在降低能源消耗和环境影响，同时保持安全性、去中心化和实用可部署性。值得注意的是，先前的文献可能使用不同但重叠的术语，如“节能区块链”、“可持续区块链”、“低功耗区块链”、“环保区块链”或“环境可持续DLT”。
本文的主要贡献如下，截至撰写时，这些贡献在文献中尚未同时出现：
•分析区块链的基本组成部分，以确定能源消耗的主要软硬件因素。
•探索区块链系统每个组件的最相关节能策略，包括共识机制、网络架构、数据存储与验证、智能合约执行以及挖矿/区块创建。
•讨论实施绿色区块链的主要挑战和限制，考虑能源效率与安全性之间的权衡、区块链能源消耗估算的问题、影响能源效率和可持续性的监管与治理方面、后量子攻击的潜在影响，以及能源消耗降低对可扩展性/性能的影响。
本文其余部分结构如下。第2节描述区块链系统的主要特征和组成部分。第3节分析区块链的能源密集型组件，第4节提出多种降低这些组件功耗的策略。接下来，第5节描述实施基于绿色区块链解决方案的主要挑战和限制。最后，第6节是结论。
章节片段
区块链系统的主要特征和组成部分
为了最小化区块链能源消耗，首先需要了解区块链如何运作。为此，图2展示了区块链架构的不同层如何相互作用。此外，图2指示了区块链架构的主要组件，其基本软硬件在接下来的小节中描述。
区块链的能源密集型组件
区块链系统为各种目的消耗能源，例如验证交易、创建区块、维护账本或与其他节点通信。区块链系统的某些组件往往比其他组件消耗更多能源。例如，共识协议的能源消耗传统上很高，但不幸的是，许多出版物仅关注这一点[31]，忽略了其他区块链组件的贡献。为避免这种局限性，本文分析了区块链的所有主要组件。
共识机制
•PoW。虽然PoW已被证明是安全的，但由于挖矿所需的计算能力，其能源消耗极高[20]。尽管如此，研究人员已经提出了绿色PoW共识算法。例如，在[82]中，作者建议使用动态难度调整方案来降低PoW挖矿的能源消耗。该方案根据活跃矿工数量及其哈希率调整谜题的难度级别。作者表明，他们的绿色PoW方案在保持安全性的同时显著降低了能源消耗。
绿色区块链的挑战、限制和未来研究方向
为区块链系统实施节能解决方案并非易事，因为它涉及各种挑战和限制，未来的绿色区块链研究者和开发者需要解决这些问题。接下来的小节描述了实施过程中的主要挑战和限制，从而指出了一些最相关的研究方向。
结论
区块链过去被视为能效低下的技术，主要是因为比特币普及带来的偏见，其PoW共识机制确实耗电。然而，自2008年比特币问世以来，区块链技术已显著发展，许多作者已经提出了创建绿色区块链的各种策略。因此，本文回顾并分析了这些策略，目的是减少区块链的能源消耗。
CRediT作者贡献声明
Tiago M. Fernández-Caramés：写作——审阅与编辑，写作——原始草稿，调查，资金获取，概念化。Paula Fraga-Lamas：写作——审阅与编辑，写作——原始草稿，调查，概念化。
资金
本工作由MCIN/AEI/10.13039/501100011033资助的项目TED2021-129433A-C22（HELENE）以及欧盟NextGenerationEU/PRTR资助。开放获取费用由Universidade da Coru?a/CISUG承担。
利益冲突声明
作者声明无利益冲突。
Tiago M. Fernández-Caramés|Paula Fraga-Lamas