Что такое дерево Меркла в блокчейне и как оно работает?

Ключевые вынос:

• Ассоциация Дерево Merkle — это тип бинарного хеш-дерева, который имеет 3 типа узлов: листовые узлы, нелистовые узлы и корневые узлы.
• Дерево Меркла полезно для проверки и поддержания целостности транзакций в любом децентрализованном реестре.
• Дерево Меркла можно увидеть как в Биткойне, так и в Эфириуме.

Введение

Криптовалюта больше не являются неизвестным предметом, и ни блокчейн, технология их происхождения. Для любого криптоэнтузиаста понимание структур блокчейна и того, как они функционируют, является первым шагом к пониманию истинной природы криптовалют.

В то время как понимание различных структур блокчейна — это то, где деревья Меркла вступают в игру. Разработанная как концепция еще в 1980 году Ральфом Мерклем из Стэнфордского университета, Дерево Merkle обычно используется в одноранговых (P2P) сетях для удовлетворения требований к вычислительной мощности и объему памяти. Не будет преувеличением сказать, что деревья Меркла сделали технологию блокчейна огромным успехом. Итак, давайте углубимся в смысл дерева Меркла и в то, как оно работает.

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

Обзор дерева Меркла

Проще говоря, дерево Меркла представляет собой целенаправленную структуру данных. Он позволяет быстро и эффективно проверять большой объем информации о блокчейне. Как упоминалось ранее, Ральф Меркл неосознанно создал его как концепцию в документе под названием «Сертифицированная цифровая подпись». Но никто не ожидал, что в будущем он станет основным компонентом децентрализованной бухгалтерской книги.

Дерево Меркла улучшило мир криптографии с момента его создания. Но это стало жизненно важным для криптовалют после того, как таинственный создатель Биткойна использовал его в основополагающем коде BTC. После этого Ethereum и другие криптовалюты также приняли деревья Меркла.

В случае сети Биткойн деревья Меркла являются эффективным компонентом, который использует хэши вместо информационного файла большого размера для проверки данных. Дерево Меркла использует уникальную описательную терминологию для описания отношений между узлами и их уровнями.

Каждый отдельный блок в блокчейне содержит ряд транзакций. Хранение всех этих транзакций и поиск конкретных транзакций, принадлежащих к какому блоку, может быть очень дорогим занятием. Кроме того, это может негативно повлиять на эффективность блокчейна. Однако в деревьях Меркла все транзакции организуются эффективно, что приводит к использованию меньшего количества данных для проверки и уменьшению нагрузки ЦП.

Понимание того, как дерево Меркла работает в блокчейне

Вот простой пример, поясняющий эту концепцию: 

Представьте себе блок данных, подобный показанному выше, который имеет 4 транзакции: L1, L2, L3 и L4. Для хранения этих транзакций мы можем реализовать концепцию дерева Меркла, вычислив хэш каждой транзакции. После вычисление, мы получаем Hash L1, Hash L2, Hash L3 и Hash L4.

Эти хэши каждой транзакции хранятся в узле, обычно называемом конечным узлом дерева Меркла. Но наша работа продолжается, так как мы должны формировать нелистовые узлы, спаривая листовые узлы. После вычисления мы получаем Hash 0 и Hash 1, которые называются родительскими узлами или нелистовыми узлами хэшей L1, L2, L3 и L4.

Наконец, хэш Hash 1 и Hash 2 вычисляется путем их объединения, и мы достигаем корневого узла, который является корнем Merkle. Из этого примера мы понимаем, что деревья Меркла работают путем многократного хеширования дочерних узлов, пока внутри структуры не останется единственный хэш.

Таким образом, дерево Меркла точно сообщает вам, повлияла ли транзакция на дерево, проверяя только корень дерева. Корень Merkle хранится в заголовке блока, что делает его защищенным от несанкционированного доступа и повышает доверие и целостность в децентрализованном реестре. Важно отметить, что деревья Меркла используют одностороннюю хэш-функцию и будут продолжаться до тех пор, пока это хеширование не отделит доказательство данных от данных.

Необходимость деревьев Меркла для блокчейна

Теперь, когда мы обсудили, что такое дерево Меркла и как оно работает, осталось только понять, почему оно важно для блокчейна. Многие преимущества дерева Меркла делают его необходимым для технологии блокчейна и даже для криптоплатформ. Вот некоторые из этих преимуществ:

Когда дело доходит до передачи, вычисления и перемещения данных, задержки недопустимы. Вот почему многие блокчейны используют дерево Меркла, чтобы избежать каких-либо задержек в сети при передаче данных. Уменьшая объем памяти, необходимый для подтверждения целостности и достоверности данных, деревья Меркла становятся неотъемлемой частью блокчейна.

В блокчейне Биткойн, который является распределенным P2P, могут быть несоответствия или даже фальсификация данных, потому что одни и те же данные существуют на каждом компьютере, подключенном к сети P2P. В этом случае дерево Меркла позволяет майнерам легко выявлять любые несоответствия или подделки транзакций.

Без использования этой концепции все данные необходимо будет передавать по всей сети, что приведет к замедлению работы сети, снижению эффективности и ненужным расходам. Такого сценария можно избежать с помощью деревьев Меркла, которые позволяют быстро проверять данные с практической вычислительной мощностью и пропускной способностью.

Заключение

Деревья Меркла звучат как сложная концепция, но они являются важнейшим компонентом технологии блокчейна и криптовалют. Без существования этой концепции не было бы ненадежной системы, используемой в биткойнах, эфириуме и майнинге.

Часто задаваемые вопросы:

Q1. Для чего были созданы деревья Меркла?
Дерево Меркла было разработано как процесс проверки данных, позволяющий компьютерам работать быстрее.
Q2. Какая связь между деревом Меркла и Эфириумом?
Дерево Меркла — это тип структуры блокчейна, который стоит не только за Ethereum, но и за биткойн, а также за процесс крипто-майнинга. Однако Ethereum использует модифицированную версию дерева Меркла, широко известную как дерево Меркла Патриции.
Q3. Как реализовать дерево Меркла
Чтобы реализовать деревья Меркла, нужно начать с бинарных деревьев, в которых каждый нелистовой узел является хешем двух дочерних узлов. Эти листья могут либо содержать данные, либо хэш данных.
Q4. Каковы некоторые преимущества дерева Меркла?
Будучи легкой структурой, повышающей масштабируемость внутри блокчейна, дерево Меркла может избавиться от ненужных данных и, таким образом, повысить эффективность. И майнеры, и пользователи могут извлечь выгоду из дерева Меркла, поскольку оно проверяет отдельные части блоков, проверяет транзакции с помощью хэшей, а также вычисляет хэши при получении транзакций.