Τα δέντρα Merkle διασφαλίζουν την ακεραιότητα των δεδομένων, την αποτελεσματικότητα και επεκτασιμότητα μέσα σε δίκτυα blockchain, καθιστώντας τα ουσιαστικό μέρος αυτής της ταχέως αναπτυσσόμενης τεχνολογίας.
Δημοσιεύτηκε 2 Απριλίου 2024 στις 7:00 π.μ. EST.
Τα δέντρα Merkle, βασικά στοιχεία του οικοσυστήματος της επιστήμης των υπολογιστών, έχουν βρει χρήση στον χώρο των κρυπτονομισμάτων. Το ενδιαφέρον για αυτά έχει αυξηθεί πρόσφατα στον τομέα των κρυπτονομισμάτων ως αποτέλεσμα της καταστροφής του FTX.
Αυτό το άρθρο είναι μια εις βάθος εξερεύνηση των δέντρων Merkle στο blockchain, εξηγώντας τι είναι, πώς λειτουργούν και τις εφαρμογές τους στον κλάδο.
Τι είναι τα δέντρα Merkle;
Ένα δέντρο Merkle, επίσης ένα δέντρο κατακερματισμού ή ένα δυαδικό δέντρο κατακερματισμού, είναι μια μορφή δεδομένων με εφαρμογές στην επιστήμη των υπολογιστών και την κρυπτογραφία.
Στον πυρήνα του βρίσκεται η ιεραρχική διάταξη των μπλοκ δεδομένων που ορίζονται από έναν κρυπτογραφικό κατακερματισμό. Αυτή η πολυεπίπεδη διάταξη μπλοκ δεδομένων του δίνει μια εμφάνιση σαν δέντρο.
Η ιδέα των δέντρων Merkle είναι το πνευματικό τέκνο του Ralph Merkle, ο οποίος το κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το 1979, άρα και το όνομά του. Είναι ζωτικής σημασίας για τη διασφάλιση της καθαρότητας και της ασφάλειας των δεδομένων σε τομείς που ασχολούνται με μεγάλα σύνολα δεδομένων όπως το blockchain.
Η δομή των δέντρων Merkle στο Blockchain
Για να κατανοήσετε καλύτερα τη δομή των δέντρων Merkle στο blockchain, φανταστείτε ένα αναποδογυρισμένο δέντρο με τρία κύρια επίπεδα. Στην κορυφή βρίσκεται η ρίζα Merkle, οι μη φυλλικοί κόμβοι καταλαμβάνουν το μεσαίο τμήμα και οι κόμβοι των φύλλων βρίσκονται στο κάτω μέρος.
Οι κόμβοι των φύλλων είναι τα δομικά στοιχεία του δέντρου Merkle. Είναι οι κατακερματισμοί κάθε συναλλαγής που πραγματοποιείται σε ένα δεδομένο μπλοκ. Ίσως τα γνωρίζετε καλύτερα ως αναγνωριστικά συναλλαγών (TXID) που είναι ορατά μέσω μιας εξερεύνησης μπλοκ.
Οι μη-φυλλικοί κόμβοι, που σχηματίζουν το δεύτερο επίπεδο ενός δέντρου Merkle, είναι δέσμες ζευγαρωμένων κατακερματισμών κόμβων φύλλων. Προέρχονται το όνομά τους από το γεγονός ότι δεν περιέχουν TXID. Αντίθετα, αποθηκεύουν μόνο τους κατακερματισμούς συναλλαγής των δύο κόμβων φύλλων που τους δημιουργούν.
Τέλος, στον κορυφαίο μη φύλλο κόμβο του δέντρου βρίσκεται η ρίζα Merkle. Είναι ένας ενιαίος κατακερματισμός που αντιπροσωπεύει όλα τα μπλοκ συναλλαγές hashes. Η ρίζα Merkle είναι το αποκλειστικό αναγνωριστικό του μπλοκ και είναι ζωτικής σημασίας για την επαλήθευση της αυθεντικότητάς του.
Πώς λειτουργούν τα Merkle Trees στο Blockchain;
Δείτε πώς λειτουργούν τα δέντρα Merkle στο blockchain:
Βήμα 1: Κατακερματισμός συναλλαγών
Μια κρυπτογραφική συνάρτηση κατακερματισμού, ας πούμε SHA-256, κατακερματίζει όλες τις συναλλαγές στο μπλοκ. Αυτή η διαδικασία παράγει μια μοναδική ταυτότητα (hash) για καθένα, καθιστώντας αυτά τα δεδομένα αδιάφθορα.
Βήμα 2: Σύζευξη των Hashes
Η ίδια συνάρτηση ζευγαρώνει και κατακερματίζει δύο κατακερματισμούς συναλλαγής για να δημιουργήσει ένα νέο. Αυτή η σύζευξη και ο κατακερματισμός επαναλαμβάνεται σε κάθε επίπεδο, με κάθε θυγατρικό κόμβο να σχηματίζει έναν νέο γονικό κόμβο.
Βήμα 3: Σχηματισμός της ρίζας Merkle
Οι δύο τελευταίοι γονικοί (μη φύλλων) κόμβοι ζευγαρώνουν για να σχηματίσουν έναν ενιαίο κατακερματισμό, τη ρίζα Merkle. Αυτό είναι το κρυπτογραφικό δακτυλικό αποτύπωμα ολόκληρου του μπλοκ και αποτελεί τίτλο.
Βήμα 4: Επαλήθευση της ακεραιότητας ενός μπλοκ
Μπορείτε να επαληθεύσετε την ακεραιότητα μιας δεδομένης συναλλαγής λαμβάνοντας τον αντίστοιχο κατακερματισμό της από τη ρίζα Merkle. Ξεκινώντας από εκεί και ακολουθώντας τους γονικούς κόμβους, μπορείτε να αναδημιουργήσετε τη ρίζα Merkle. Εάν τα δύο ταιριάζουν, τότε οι συναλλαγές στο μπλοκ είναι αυθεντικές.
Ας εξετάσουμε ένα απλό παράδειγμα με τέσσερις συναλλαγές, A, B, C και D, που πραγματοποιούνται σε ένα δεδομένο μπλοκ:
- Κατακερματισμός συναλλαγών: Κάθε συναλλαγή κατακερματίζεται:
- hashA = hash(A)
- hashB = hash(B)
- hashC = hash(C)
- hashD = hash(D)
- Σύζευξη και κατακερματισμός: Οι κατακερματισμοί αντιστοιχίζονται και κατακερματίζονται μαζί:
- hashAB = hash(hashA + hashB)
- hashCD = hash(hashC + hashD)
- Δημιουργία της ρίζας Merkle: Οι κατακερματισμοί που προκύπτουν κατακερματίζονται για να δημιουργηθεί η ρίζα Merkle:
- MerkleRoot = hash(hashAB + hashCD)
Merkle Trees ως απόδειξη του αποθεματικού
Το Proof-of-Reserve (PoR) είναι μια πρακτική τήρησης βιβλίων κεντρικές ανταλλαγές (CEX) και άλλοι θεματοφύλακες κρυπτονομισμάτων χρησιμοποιούν για να αποδείξουν την οικονομική τους υγεία. Είναι μια ανοιχτή αναφορά των διαθεσίμων κρυπτογράφησης της εταιρείας. Οι εκκλήσεις για ελέγχους PoR έχουν αυξηθεί με την αύξηση των υποθέσεων απάτης που σχετίζονται με κρυπτογράφηση.
Δεδομένου ότι τα CEX διαθέτουν μεγάλα ποσά κρυπτογράφησης, τα δέντρα Merkle είναι ένας βολικός τρόπος για να αποδείξουν τα αποθέματά τους. Δείτε πώς τους βοηθούν να το πετύχουν:
- Συγκέντρωση υπολοίπων χρηστών: Το CEX ή ο θεματοφύλακας συντάσσει μια λίστα με όλους τους χρήστες και τα υπόλοιπα τους.
- Κατακερματισμός υπολοίπων χρηστών: Στη συνέχεια χρησιμοποιεί μια κρυπτογραφική συνάρτηση για να κατακερματίσει τα στοιχεία κάθε χρήστη.
- Κατασκευάζοντας το δέντρο Merkle: Το CEX τακτοποιεί τα κατακερματισμένα υπόλοιπα χρηστών σε μια ιεραρχική δομή. Στη συνέχεια, τα κατακερματίζει σε ζευγάρια, σχηματίζοντας μια ρίζα Merkle.
- Δημοσίευση της ρίζας Merkle: Το επόμενο βήμα είναι η κοινή χρήση της ρίζας Merkle δημόσια. Αυτή η δραστηριότητα δίνει τη δυνατότητα στους χρήστες να επαληθεύουν τα υπόλοιπά τους χωρίς να αποκαλύπτουν ολόκληρη τη λίστα των πιστώσεων τους.
- Επαλήθευση: Οι χρήστες μπορούν να επαληθεύσουν τα υπόλοιπά τους αποκτώντας τις αποδείξεις Merkle τους, οι οποίες είναι διαδρομές από τους κατακερματισμούς υπολοίπων τους προς τη ρίζα Merkle.
Γιατί τα δέντρα Merkle είναι σημαντικά για τα Blockchains;
Τα δέντρα Merkle διασφαλίζουν την ακεραιότητα των δεδομένων, την αποτελεσματικότητα και επεκτασιμότητα μέσα σε δίκτυα blockchain. Κατακερματίζοντας μεμονωμένες συναλλαγές και συνδυάζοντάς τες σε μια ρίζα Merkle, δημιουργούν ένα αναγνωριστικό χωρίς παραποίηση για κάθε μπλοκ. Έτσι, οποιαδήποτε διόρθωση σε μια συναλλαγή μεταβάλλει τη ρίζα Merkle, προειδοποιώντας το δίκτυο για πιθανή παραβίαση.
Επιπλέον, βοηθούν στην επίτευξη αποτελεσματικότητας επαλήθευσης. Οι χρήστες μπορούν να ελέγξουν γρήγορα την ισότητα μιας συναλλαγής συγκρίνοντας τους κατακερματισμούς της με αυτούς του δέντρου Merkle. Επιπλέον, δεν χρειάζεται να κατεβάσουν και να συγκρίνουν ολόκληρα μπλοκ.
Συμβάλλουν επίσης στην επεκτασιμότητα ενός blockchain μειώνοντας τις απαιτήσεις μετάδοσης δεδομένων και επαλήθευσης. Με αυτόν τον τρόπο, συμβάλλουν στη βελτίωση της απόδοσης του δικτύου. Επιπλέον, ελαχιστοποιούν τις ανάγκες αποθήκευσης αποθηκεύοντας μόνο τη ρίζα Merkle και τους σχετικούς κατακερματισμούς συναλλαγών. Έτσι, ωφελούν κόμβους με περιορισμένη χωρητικότητα αποθήκευσης.