Τι είναι το Merkle Tree στο Blockchain και πώς λειτουργεί;

Βασικά πιάτα:

• Η Merkle δέντρο είναι ένας τύπος δυαδικού δέντρου κατακερματισμού που έχει 3 τύπους κόμβων: κόμβους φύλλων, κόμβους χωρίς φύλλα και κόμβους ρίζας.
• Ένα δέντρο Merkle είναι χρήσιμο για την επαλήθευση και τη διατήρηση της ακεραιότητας των συναλλαγών σε οποιοδήποτε αποκεντρωμένο καθολικό.
• Το δέντρο Merkle εμφανίζεται στο Bitcoin καθώς και στο Ethereum.

Εισαγωγή

Κρυπτοσυχνότητες δεν είναι πλέον ένα άγνωστο θέμα, ούτε είναι blockchain, την τεχνολογία πίσω από την προέλευσή τους. Για κάθε λάτρη των κρυπτονομισμάτων, η κατανόηση των δομών blockchain και του τρόπου λειτουργίας τους είναι το πρώτο βήμα για να συνειδητοποιήσουμε την αληθινή φύση των κρυπτονομισμάτων.

Ενώ η κατανόηση των διαφορετικών δομών blockchain είναι εκεί που έρχονται τα δέντρα Merkle. Αναπτύχθηκε ως ιδέα το 1980 από τον Ralph Merkle του Πανεπιστημίου Stanford, το Merkle δέντρο χρησιμοποιείται συνήθως σε δίκτυα peer-to-peer (P2P) για την αντιμετώπιση των απαιτήσεων υπολογιστικής ισχύος και χώρου μνήμης. Δεν θα ήταν υπερβολή να πούμε ότι τα δέντρα Merkle έκαναν την τεχνολογία blockchain τεράστια επιτυχία. Ας βουτήξουμε λοιπόν στο νόημα πίσω από το δέντρο Merkle και πώς λειτουργεί.

https://www.youtube.com/watch?v=YIc6MNfv5iQ

Μια επισκόπηση του δέντρου Merkle

Με απλά λόγια, ένα δέντρο Merkle αντιπροσωπεύει τον τρόπο με τον οποίο τα δεδομένα δομούνται σκόπιμα. Επιτρέπει τη γρήγορη και αποτελεσματική επαλήθευση ενός εκτεταμένου όγκου πληροφοριών σε ένα blockchain. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, ο Ralph Merkle το δημιούργησε εν αγνοία του ως έννοια σε μια εργασία με τίτλο "A Certified Digital Signature". Κανείς όμως δεν περίμενε ότι θα γινόταν βασικό συστατικό ενός αποκεντρωμένου καθολικού στο μέλλον.

Το δέντρο Merkle έχει βελτιώσει τον κόσμο της κρυπτογραφίας από την έναρξή του. Αλλά έγινε ζωτικής σημασίας για τα κρυπτονομίσματα αφού ο μυστηριώδης δημιουργός του Bitcoin το χρησιμοποίησε στον θεμελιώδη κώδικα του BTC. Μετά από αυτό, το Ethereum και άλλα κρυπτονομίσματα υιοθέτησαν επίσης δέντρα Merkle.

Στην περίπτωση του δικτύου Bitcoin, τα δέντρα Merkle είναι ένα αποτελεσματικό στοιχείο που χρησιμοποιεί κατακερματισμούς αντί για το αρχείο πληροφοριών μεγάλου μεγέθους για την επαλήθευση των δεδομένων. Ένα δέντρο Merkle χρησιμοποιεί μοναδική περιγραφική ορολογία για να περιγράψει τις σχέσεις μεταξύ των κόμβων και των επιπέδων τους.

Κάθε μπλοκ εντός του blockchain περιέχει έναν αριθμό συναλλαγών. Η αποθήκευση όλων αυτών των συναλλαγών και η εύρεση ποιες συγκεκριμένες συναλλαγές ανήκουν σε ποιο μπλοκ μπορεί να είναι απογοητευτικά δαπανηρές εργασίες. Επιπλέον, μπορεί να επηρεάσει αρνητικά την αποτελεσματικότητα ενός blockchain. Ωστόσο, με τα δέντρα Merkle, όλες οι συναλλαγές οργανώνονται αποτελεσματικά, με αποτέλεσμα τη χρήση λιγότερων δεδομένων για επαλήθευση και μειωμένη επεξεργασία της CPU.

Κατανοώντας πώς λειτουργεί ένα δέντρο Merkle σε μια αλυσίδα μπλοκ

Ακολουθεί ένα απλό παράδειγμα για να διευκρινιστεί αυτή η έννοια: 

Φανταστείτε ένα μπλοκ δεδομένων όπως αυτό που φαίνεται παραπάνω που έχει 4 συναλλαγές: L1, L2, L3 και L4. Για να αποθηκεύσουμε αυτές τις συναλλαγές, μπορούμε να εφαρμόσουμε την έννοια του δέντρου Merkle υπολογίζοντας τον κατακερματισμό κάθε συναλλαγής. Μετά υπολογισμός, λαμβάνουμε Hash L1, Hash L2, Hash L3 και Hash L4.

Αυτοί οι κατακερματισμοί κάθε συναλλαγής αποθηκεύονται σε έναν κόμβο, που συνήθως ονομάζεται κόμβος φύλλου, του δέντρου Merkle. Αλλά το έργο μας συνεχίζεται, καθώς πρέπει να σχηματίσουμε μη φυλλικούς κόμβους ζευγοποιώντας κόμβους φύλλων. Μετά τον υπολογισμό, λαμβάνουμε Hash 0 και Hash 1, οι οποίοι ονομάζονται κόμβοι γονέα ή κόμβοι μη φύλλων των κατακερματισμών των L1, L2, L3 και L4.

Τέλος, ο κατακερματισμός του Hash 1 και του Hash 2 υπολογίζεται ζευγοποιώντας τα μεταξύ τους και φτάνουμε στον ριζικό κόμβο, που είναι η ρίζα Merkle. Μέσα από αυτό το παράδειγμα, καταλαβαίνουμε ότι τα δέντρα Merkle λειτουργούν κατακερματίζοντας τους θυγατρικούς κόμβους επανειλημμένα μέχρι να παραμείνει ένας μοναδικός κατακερματισμός μέσα στη δομή.

Με αυτόν τον τρόπο, το δέντρο Merkle σας λέει ακριβώς εάν μια συναλλαγή έχει επηρεάσει το δέντρο ελέγχοντας μόνο τη ρίζα του δέντρου. Η ρίζα Merkle αποθηκεύεται στην κεφαλίδα του μπλοκ, καθιστώντας την αδιάβροχη και ενισχύοντας την εμπιστοσύνη και την ακεραιότητα σε ένα αποκεντρωμένο καθολικό. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι τα δέντρα Merkle χρησιμοποιούν μια μονόδρομη συνάρτηση κατακερματισμού και θα συνεχίσουν έως ότου αυτός ο κατακερματισμός διαχωρίσει την απόδειξη των δεδομένων από τα δεδομένα.

Η αναγκαιότητα των δέντρων Merkle για το blockchain

Τώρα που συζητήσαμε τι είναι ένα δέντρο Merkle και πώς λειτουργεί, το μόνο που μένει να κάνουμε είναι να καταλάβουμε γιατί είναι σημαντικό για το blockchain. Τα πολλά πλεονεκτήματα ενός δέντρου Merkle το καθιστούν απαραίτητο για την τεχνολογία blockchain, ακόμη και για πλατφόρμες κρυπτογράφησης. Μερικά από αυτά τα οφέλη είναι:

Όσον αφορά τη μεταφορά, τον υπολογισμό και τη διέλευση δεδομένων, δεν επιτρέπονται καθυστερήσεις. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο πολλά blockchain χρησιμοποιούν ένα δέντρο Merkle για να διατηρήσουν το δίκτυο απαλλαγμένο από κάθε είδους καθυστερήσεις κατά τη μεταφορά δεδομένων. Με τη μείωση της ποσότητας της μνήμης που απαιτείται για την απόδειξη της ακεραιότητας και της εγκυρότητας των δεδομένων, τα δέντρα Merkle γίνονται ουσιαστικό μέρος του blockchain.

Στο blockchain του Bitcoin, το οποίο είναι ένα κατανεμημένο P2P, μπορεί να υπάρχουν ασυνέπειες ή ακόμα και παραποίηση δεδομένων, επειδή τα ίδια δεδομένα υπάρχουν σε κάθε υπολογιστή που είναι συνδεδεμένος στο δίκτυο P2P. Σε αυτήν την περίπτωση, το δέντρο Merkle διευκολύνει τους ανθρακωρύχους να εντοπίσουν κάθε είδους ασυνέπεια ή παραβίαση συναλλαγών.

Χωρίς τη χρήση αυτής της έννοιας, όλα τα δεδομένα θα πρέπει να μεταφερθούν σε όλο το δίκτυο, με αποτέλεσμα την επιβράδυνση του δικτύου, τη μειωμένη απόδοση και τα περιττά έξοδα. Ένα τέτοιο σενάριο μπορεί να αποφευχθεί με τη βοήθεια των δέντρων Merkle, τα οποία επιτρέπουν γρήγορη επαλήθευση δεδομένων με πρακτική υπολογιστική ισχύ και εύρος ζώνης.

Τελικές σκέψεις

Τα δέντρα Merkle ακούγονται σαν μια περίπλοκη ιδέα, αλλά αποτελούν κρίσιμο συστατικό της τεχνολογίας blockchain και των κρυπτονομισμάτων. Χωρίς την ύπαρξη αυτής της έννοιας, δεν θα υπήρχε αξιόπιστο σύστημα που θα χρησιμοποιείται στο Bitcoin, το Ethereum και την εξόρυξη.

Συχνές ερωτήσεις:

Q1. Τα δέντρα Merkle σχεδιάστηκαν για να πετύχουν;
Το δέντρο Merkle σχεδιάστηκε ως μια διαδικασία για την επαλήθευση δεδομένων που επιτρέπει στους υπολογιστές να λειτουργούν πιο γρήγορα.
Ε2. Ποια είναι η σχέση μεταξύ του δέντρου Merkle και του Ethereum;
Το Merkle tree είναι ένας τύπος δομής blockchain που βρίσκεται πίσω από όχι μόνο το Ethereum αλλά και το Bitcoin και τη διαδικασία εξόρυξης κρυπτονομισμάτων. Ωστόσο, το Ethereum χρησιμοποιεί μια τροποποιημένη έκδοση του δέντρου Merkle, κοινώς γνωστή ως Merkle Patricia.
Ε3. Πώς να εφαρμόσετε το δέντρο Merkle
Για να εφαρμόσουμε τα δέντρα Merkle, πρέπει να ξεκινήσουμε με δυαδικά δέντρα, στα οποία κάθε κόμβος χωρίς φύλλα είναι ο κατακερματισμός δύο θυγατρικών κόμβων. Αυτά τα φύλλα θα μπορούσαν είτε να περιέχουν τα δεδομένα είτε το κατακερματισμός των δεδομένων.
Ε4. Ποια είναι μερικά οφέλη του δέντρου Merkle;
Όντας μια ελαφριά δομή που αυξάνει την επεκτασιμότητα εντός του blockchain, το δέντρο Merkle μπορεί να απαλλαγεί από περιττά δεδομένα και έτσι να βελτιώσει την αποτελεσματικότητα. Τόσο οι ανθρακωρύχοι όσο και οι χρήστες μπορούν να επωφεληθούν από το δέντρο Merkle, καθώς επαληθεύει μεμονωμένα μέρη μπλοκ, ελέγχει τις συναλλαγές χρησιμοποιώντας κατακερματισμούς και επίσης υπολογίζει τους κατακερματισμούς ενώ λαμβάνουν συναλλαγές.