BLOKI SIEROT W BLOCKCHAINIE: CZYM SĄ I DLACZEGO POWSTAJĄ

Czym są bloki osierocone w blockchainie?

W świecie technologii blockchain termin blok osierocony odnosi się do prawidłowego bloku, który nie jest zawarty w głównym blockchainie. Chociaż takie bloki spełniają wszystkie zasady kryptograficzne i są prawidłowe pod względem treści, nie są one częścią ostatecznego, uzgodnionego łańcucha używanego do weryfikacji transakcji i konsensusu.

Dla wyjaśnienia, bloku osieroconego nie należy mylić z nieprawidłowym blokiem. Blok osierocony jest prawidłowy zgodnie z protokołem blockchain; jednak został odrzucony z głównego łańcucha ze względu na specyficzne mechanizmy konsensusu i opóźnienia sieci.

Bloki osierocone występują najczęściej w blockchainach Proof of Work (PoW), takich jak Bitcoin i Ethereum (przed przejściem Ethereum na Proof of Stake). W tych sieciach górnicy rywalizują o dodanie kolejnego bloku do łańcucha, rozwiązując złożone zagadki kryptograficzne. Czasami dwóm górnikom udaje się rozwiązać zagadkę jednocześnie, co prowadzi do propagacji dwóch konkurujących bloków w sieci.

Kluczowe cechy bloków osieroconych

• Są one prawidłowe, ale nie są uwzględniane w najdłuższym aktualnie łańcuchu.
• Zwykle występują podczas tymczasowych rozwidleń w blockchainie.
• Nie wpływają na główną historię transakcji sieci.
• Wszelkie transakcje w bloku osieroconym, których nie znaleziono nigdzie indziej, są zwracane do puli pamięci.

Termin „blok osierocony” odnosił się kiedyś konkretnie do bloków, których blok nadrzędny był nieznany lub brakowało. Obecnie terminologia ta często pokrywa się z pokrewnym pojęciem nieaktualnych bloków: prawidłowych bloków, które zostały zastąpione w procesie konsensusu.

Kiedy dochodzi do rozwidleń, sieć musi ustalić, którą wersję blockchaina zachować. Mechanizm konsensusu zazwyczaj nakazuje, aby łańcuch z największą liczbą zgromadzonych dowodów pracy (tj. najdłuższy lub najtrudniejszy łańcuch) stał się wersją kanoniczną. Alternatywne bloki — pomimo ich ważności — są zatem wykluczane.

Dlaczego bloki osierocone nie są marnowane

Chociaż bloki osierocone nie są częścią głównego łańcucha, odgrywają ważną rolę w zapewnieniu bezpieczeństwa i zdecentralizowania blockchaina. Ich występowanie świadczy o dynamicznej i rozproszonej sieci, pokazując, że górnicy na całym świecie aktywnie w niej uczestniczą, a system ma wbudowaną redundancję, aby zapobiec manipulacjom transakcjami.

Przykład z życia wzięty: blok osierocony w Bitcoinie

12 listopada 2022 roku sieć Bitcoin zarejestrowała blok osierocony o wysokości bloku 762 711. Dwóch górników rozwiązało hash niemal w tym samym czasie, tymczasowo tworząc równoległe łańcuchy. Ostatecznie jedna wersja uzyskała więcej dowodów na skuteczność (proof of work), a druga – blok sierotny – została usunięta.

Podsumowując, bloki sierotne są oczekiwanym rezultatem zdecentralizowanej natury sieci blockchain. Chociaż mogą wydawać się niewykorzystanymi lub zbędnymi danymi, ich obecność potwierdza fundamentalne ideały przejrzystości, konkurencyjności i odporności systemów blockchain.

Jak i dlaczego powstają bloki osierocone

Bloki osierocone są zazwyczaj wynikiem warunków sieciowych i dynamiki konsensusu w zdecentralizowanym systemie. Zrozumienie ich przyczyny wymaga zbadania, w jaki sposób transakcje i bloki przemieszczają się w sieci blockchain, zwłaszcza w środowisku Proof of Work.

Poniżej przedstawiono główne przyczyny powstawania bloków osieroconych:

1. Jednoczesne odkrywanie bloków

W systemach Proof of Work, takich jak Bitcoin, górnicy rywalizują globalnie o rozwiązywanie łamigłówek matematycznych, aby dodać nowe bloki do łańcucha. Czasami dwóch górników znajduje poprawne rozwiązanie hashujące niemal w tym samym czasie. Ten wyścig prowadzi do rozpowszechnienia obu bloków w sieci, tworząc tymczasowy fork, w którym istnieją dwa prawidłowe łańcuchy.

Po wystąpieniu forka sieć czeka na wydobycie kolejnego bloku. Łańcuch, który jako pierwszy otrzyma kolejny prawidłowy blok, jest zazwyczaj uznawany za łańcuch kanoniczny, ponieważ jest dłuższy (ma więcej dowodów pracy). Drugi blok, choć wcześniej prawidłowy, zostaje następnie porzucony.

2. Opóźnienia w sieci i opóźnienia propagacji

Rozmieszczenie geograficzne górników oznacza, że ​​niektóre części sieci mogą otrzymywać nowe bloki przed innymi. Jeśli blok jest propagowany powoli, inny górnik może wykopać nowy blok, nie wiedząc o poprzednim. To opóźnienie skutkuje współbieżnymi blokami, z których jeden ostatecznie zostaje porzucony.

Środowiska o dużym opóźnieniu lub nieefektywne połączenia węzłów potęgują ten problem, zwłaszcza gdy bloki są duże lub sieć jest przeciążona transakcjami.

3. Przypadkowe rozwidlenia

Czasami wadliwe oprogramowanie lub błąd w konkretnym kliencie może spowodować, że węzeł zachowa się inaczej niż wynika to z reguł konsensusu. Jeśli wystarczająca liczba górników korzysta z wadliwego oprogramowania, mogą nieświadomie wydobyć blok, który później zostanie odrzucony przez resztę sieci. Chociaż takie przypadki zdarzają się rzadko i często są szybko naprawiane, takie bloki mogą stać się osieroconymi blokami.

4. Strategiczne ataki wydobywcze

W rzadszych przypadkach wyrafinowane próby manipulowania mechanizmami konsensusu blockchain mogą skutkować osieroconymi blokami. Na przykład atakujący może próbować wdrożyć samolubną strategię wydobywczą, celowo wstrzymując bloki, aby uzyskać strategiczną przewagę. Jeśli atak się nie powiedzie, nieopublikowane bloki – po ich ujawnieniu – mogą zostać osieroconymi przez autentyczny, dłuższy łańcuch.

5. Różnice w implementacjach konsensusu

Różni klienci blockchaina mogą interpretować drobne szczegóły protokołu w nieco inny sposób, szczególnie w przypadku aktualizacji sieci lub hard forków. Ta niezgodność może prowadzić do tego, że niektórzy górnicy będą budować na bloku, którego inni nie akceptują, co doprowadzi do osierocenia po osiągnięciu konsensusu.

Ograniczanie liczby osieroconych bloków

Sieci blockchain wykorzystują różne mechanizmy, aby zminimalizować występowanie osieroconych bloków:

• Szybsza propagacja bloków: Protokoły takie jak Compact Block Relay w Bitcoinie skracają czas transmisji między węzłami.
• Zmniejszenie opóźnień: Ulepszona infrastruktura sieciowa zapewnia terminową dystrybucję bloków.
• Synchronizacja klientów: Zapewnienie przestrzegania przez wszystkich klientów tych samych zasad konsensusu ogranicza przypadkowe rozwidlenia.
• Zniechęcające czynniki ekonomiczne: Ponieważ osierocony blok nie otrzymuje żadnej nagrody, górnicy są zmotywowani do pozostania w zgodzie z najdłuższym łańcuchem.

Ogólnie rzecz biorąc, osierocony blok Nie są dowodem awarii systemu. Zamiast tego reprezentują wbudowane, zdecentralizowane rozwiązywanie konfliktów — elegancką cechę projektu blockchain, która zapewnia integralność, jednocześnie wspierając globalne uczestnictwo.

Wpływ bloków osieroconych na sieci blockchain

Chociaż bloki osieroconych nie są częścią ostatecznego łańcucha bloków, wpływają one na kilka kluczowych aspektów działania sieci, szczególnie w zakresie ostateczności transakcji, bezpieczeństwa i strategii górników.

1. Reorganizacja transakcji

Jednym z najbardziej zauważalnych skutków bloków osieroconych są zawarte w nich transakcje. Mimo że bloki te są prawidłowe, zawarte w nich transakcje nie są od razu uznawane za ostateczne, ponieważ blok nie został zaadaptowany do łańcucha głównego. Zamiast tego, wszelkie unikalne transakcje w bloku osieroconym są zwracane do puli pamięci — obszaru oczekiwania na niepotwierdzone transakcje — gdzie mogą zostać włączone do kolejnych bloków.

Ten proces może powodować krótkie opóźnienia dla użytkowników, szczególnie podczas wysyłania środków, ponieważ transakcja w bloku osieroconym musi czekać na ponowne wydobycie. Jednak portfele i giełdy zazwyczaj czekają na wiele potwierdzeń bloków, zanim potraktują transakcję jako ostateczną, uwzględniając w ten sposób możliwość osierocenia.

2. Motywacja i ekonomia górników

Gdy blok zostaje osierocony, związana z nim nagroda za wydobycie (w Bitcoinie, 6,25 BTC w 2024 r.) nie jest wypłacana. Stanowi to naturalną karę ekonomiczną i zachęca górników do działania w najdłuższym łańcuchu.

Biorąc pod uwagę zasobochłonny charakter wydobycia, brak nagrody za osierocony blok oznacza potencjalną stratę finansową. W związku z tym górnicy dążą do szybkiej propagacji bloków, utrzymują aktualne oprogramowanie węzłów i angażują się w pule wydobywcze, aby zmniejszyć opóźnienia i ryzyko osierocenia.

3. Bezpieczeństwo sieci i decentralizacja

Umiarkowana liczba osieroconych bloków jest postrzegana jako oznaka zdecentralizowanej siły. Oznacza to, że wielu górników na całym świecie aktywnie wnosi swój wkład i że żadna ze stron nie dominuje w tworzeniu bloków.

Jednak nienormalnie wysoki wskaźnik bloków osieroconych może sygnalizować przeciążenie, podziały sieci, a nawet celowe ataki na łańcuch.

4. Bloki osieroconych a reorganizacje łańcucha bloków

Koncepcja bloków osieroconych jest ściśle związana z reorganizacjami łańcucha bloków (reorganizacjami), które mają miejsce, gdy łańcuch kanoniczny jest przełączany na dłuższą alternatywę. Podczas reorganizacji może powstać wiele bloków osieroconych, szczególnie w przypadku zmiennych warunków sieciowych.

Chociaż sporadyczne reorganizacje są spodziewane, częste lub długie reorganizacje mogą podważyć stabilność łańcucha bloków i zmniejszyć zaufanie do ostateczności transakcji. Deweloperzy dążą do optymalizacji algorytmów konsensusu i sieci serwerów, aby zawęzić okno czasowe, w którym mogą pojawić się bloki osieroconych.

5. Bloki osierocone w Ethereum i innych blockchainach

Przed przejściem na Proof of Stake w 2022 roku, Ethereum doświadczało bloków osieroconych – często nazywanych blokami wujka. W przeciwieństwie do Bitcoina, Ethereum nagradzało górników za bloki wujka, co stanowiło zachętę do włączania ich do łańcucha, a tym samym poprawy bezpieczeństwa sieci.

W innych protokołach blockchain, takich jak Litecoin czy Bitcoin Cash, częstotliwość i sposób obsługi bloków osieroconych różnią się w zależności od topologii sieci, konstrukcji konsensusu i interwałów bloków. Zasadniczo niższe czasy bloków (np. 2,5 minuty dla Litecoina) zwiększają prawdopodobieństwo osierocenia z powodu częstszych wyścigów bloków.

Podsumowując, chociaż bloki osierocone mogą wydawać się efektem ubocznym nieefektywności, w rzeczywistości są one integralną częścią przejrzystego, zdecentralizowanego systemu zarządzania rejestrem. Ich zrozumienie pozwala lepiej docenić wyzwania — i pomysłowość — tkwiące w technologii blockchain.