Khối mồ côi

Định nghĩa và bối cảnh lịch sử

Orphan block là khối mà khối cha không xác định được hoặc không tồn tại trong mạng blockchain. Trong giai đoạn phát triển ban đầu của công nghệ blockchain, đặc biệt là mạng Bitcoin, các khối này từng gây ra thách thức kỹ thuật đáng kể cho các nút mạng. Khi sử dụng các phiên bản cũ của Bitcoin Core, các nút mạng vẫn có thể nhận và xử lý khối ngay cả khi thiếu hoặc không có dữ liệu quan trọng về nguồn gốc hoặc khối cha.

Từ khi Bitcoin Core phiên bản 0.10 ra mắt vào đầu năm 2015, tình hình này đã thay đổi rõ rệt. Bản cập nhật lớn này đã nâng cấp cơ chế xác thực khối và giao thức mạng, loại bỏ hoàn toàn khả năng xuất hiện orphan block thực sự. Quá trình xác thực cải tiến đảm bảo các khối không có khối cha xác thực sẽ không được chấp nhận hoặc lan truyền trong mạng. Tuy nhiên, thuật ngữ "orphan block" vẫn tồn tại trong cộng đồng tiền điện tử, dù ý nghĩa đã thay đổi theo thời gian.

Stale block và orphan block

Hiện nay, hai thuật ngữ "orphan block" và "stale block" thường bị nhầm lẫn trong các cuộc thảo luận về blockchain, mặc dù chúng là hai khái niệm hoàn toàn khác biệt. Orphan block vẫn được dùng phổ biến trong lĩnh vực tiền điện tử, nhưng thường bị dùng sai để mô tả các khối hợp lệ đã khai thác nhưng bị loại khỏi chuỗi chính. Về mặt kỹ thuật, các khối bị loại này nên được gọi chính xác là "stale block" hoặc "extinct block".

Thuật ngữ "orphan block" tiếp tục phổ biến chủ yếu do cách phần mềm khách blockchain hiển thị phần thưởng khối. Khi một khối khai thác không được đưa vào chuỗi chính, phần mềm khách sẽ đánh dấu phần thưởng khối đó là "orphaned", khiến phần lớn cộng đồng tiền điện tử dùng theo. Vì vậy, dù các khối này có khối cha xác thực, cộng đồng vẫn gọi chúng là orphan block thay vì stale block. Thói quen này đã ăn sâu vào văn hóa tiền điện tử, dù thực chất là cách gọi sai về mặt kỹ thuật.

Quá trình hình thành stale block

Stale block xuất hiện như một hệ quả tự nhiên của tính phân tán và phi tập trung của blockchain. Khối này được tạo ra khi hai hoặc nhiều thợ đào cùng giải thành công bài toán mật mã và truyền khối hợp lệ lên mạng gần như cùng lúc. Việc truyền đồng thời này tạo ra một nhánh tạm thời, khiến mạng lưới phân tách thành nhiều phiên bản cạnh tranh của sổ cái giao dịch.

Khi phân nhánh xảy ra, các nút mạng khác nhau có thể nhận khối khác nhau trước, tùy vị trí địa lý và kết nối mạng. Một số nút xác thực và xây dựng trên một khối, trong khi các nút khác lại xây dựng trên khối khác. Cả hai khối đều hợp lệ và đáp ứng các tiêu chí đồng thuận. Tuy nhiên, giao thức blockchain quy định chỉ một chuỗi được công nhận là phiên bản hợp lệ.

Việc giải quyết phân nhánh này tuân theo nguyên tắc chuỗi dài nhất, một nguyên lý cốt lõi trong cơ chế đồng thuận blockchain. Khi thợ đào tiếp tục thêm khối mới, một chuỗi sẽ dài hơn chuỗi còn lại. Mạng sẽ đồng thuận bằng cách chấp nhận chuỗi dài nhất là blockchain hợp lệ, còn chuỗi ngắn hơn cùng các khối của nó bị loại bỏ. Các khối thuộc chuỗi bị loại trở thành stale block và công sức khai thác chúng bị mất.

Tính phân tán của blockchain khiến việc truyền tải thông tin giữa các nút cần thời gian, có thể từ vài mili giây đến vài giây tùy điều kiện mạng và khoảng cách. Độ trễ này tạo ra những khoảng thời gian mà nhiều khối hợp lệ có thể được khai thác và lan truyền trước khi mạng đạt đồng thuận. Do đó, sự xuất hiện của stale block là đặc trưng của hệ thống blockchain proof-of-work.

Hiện tượng tự nhiên và hành vi tấn công

Việc hình thành stale block là hiện tượng hoàn toàn tự nhiên trong mạng blockchain và phần lớn xảy ra ngẫu nhiên chứ không do hành động cố ý. Tính xác suất của quá trình khai thác, kết hợp với độ trễ mạng và sự phân bố toàn cầu của hoạt động đào, khiến việc phát hiện đồng thời khối là điều chắc chắn về mặt thống kê. Đây là hiện tượng vô hại, chỉ gây kém hiệu quả nhỏ trong hệ thống blockchain, không phải mối đe dọa bảo mật.

Tuy nhiên, stale block cũng có thể bị tạo ra cố ý khi các đối tượng xấu tìm cách thao túng blockchain thông qua các phương thức tấn công. Kẻ tấn công tinh vi có thể cố gắng tạo ra chuỗi hợp lệ thay thế để thực hiện tấn công chi tiêu kép hoặc tổ chức lại lịch sử blockchain gần đây. Những hành vi này đòi hỏi nguồn lực tính toán lớn và dễ thành công hơn nếu nhắm vào blockchain có tỷ lệ băm thấp hoặc khi mạng lưới bất ổn.

Trên thực tế, các cơ chế bảo mật tích hợp trong các mạng blockchain lớn, cùng động lực kinh tế gắn liền với hành vi thợ đào và an ninh mạng, khiến việc tổ chức lại chuỗi một cách độc hại rất khó và tốn kém. Khối càng tồn tại lâu trên chuỗi chính thì chi phí tạo ra chuỗi thay thế càng lớn. Tính chất này giúp gia tăng độ chắc chắn rằng các giao dịch trong khối sẽ được bảo toàn vĩnh viễn và không thể đảo ngược.

Câu hỏi thường gặp

Orphan block là gì?

Orphan block là khối không có khối cha trong blockchain. Nó xuất hiện do độ trễ mạng hoặc sự không đồng nhất dữ liệu giữa các nút. Các khối này không được đưa vào chuỗi chính và trở nên không hợp lệ khi mạng đạt đồng thuận.

Vì sao xuất hiện orphan block? Orphan block hình thành như thế nào?

Orphan block hình thành khi nhiều thợ đào đồng thời tìm ra giải pháp do độ trễ mạng và chậm trễ trong hệ thống blockchain. Các khối cạnh tranh được tạo gần như cùng lúc, và chỉ một khối được xác nhận trên chuỗi chính, còn lại trở thành orphan block.

Orphan block ảnh hưởng thế nào đến mạng blockchain và thợ đào?

Orphan block gây ra phân nhánh tạm thời, làm giảm phần thưởng cho thợ đào vì chỉ một chuỗi trở thành chuỗi chính. Thợ đào mất phần thưởng cho orphan block, nhưng mạng lưới sẽ sớm ổn định đồng thuận mà không bị tổn hại lâu dài.

Sự khác biệt giữa orphan block và uncle block là gì?

Orphan block không được đưa vào chuỗi chính, còn uncle block là khối hợp lệ được khai thác nhưng không được chọn làm khối con trực tiếp, thợ đào nhận phần thưởng một phần dựa trên khoảng cách từ chuỗi chính.

Thợ đào có nhận phần thưởng khi khai thác orphan block không?

Thông thường thợ đào không được nhận phần thưởng cho orphan block. Tuy nhiên, một số blockchain có chính sách bồi thường riêng. Trước đây Ethereum từng thưởng cho thợ đào orphan block với mức thấp hơn, nhưng đã ngừng sau khi chuyển sang proof-of-stake.

Làm thế nào để giảm hoặc tránh orphan block?

Nâng cấp cơ chế đồng thuận, triển khai sharding để tăng hiệu quả đồng bộ hóa giữa các nút, từ đó giảm orphan block. Ngoài ra, tối ưu độ trễ mạng và tăng tốc truyền khối trong hạ tầng mạng.

Các blockchain (Bitcoin, Ethereum) xử lý orphan block như thế nào?

Bitcoin và Ethereum đều bỏ qua orphan block và không đưa vào chuỗi chính. Ethereum sử dụng giao thức Gossipsub để nâng cao hiệu quả truyền khối. Orphan block không ảnh hưởng đến chuỗi chính của cả hai mạng.