Изначально деревья Меркла разрабатывались как основные элементы экосистемы компьютерных наук, но позже нашли применение в сфере криптовалют. Более подробно рассмотрим применение деревьев Меркла в криптографии.
Дерево Меркла в блокчейне
Дерево Меркла — это криптографическая структура данных, которая играет важную роль в обеспечении целостности и эффективной проверки данных в различных компьютерных системах, особенно в технологии блокчейн. Эта структура названа в честь ее создателя Ральфа Меркла. Она предназначена для удовлетворения потребностей в безопасности, надежности и эффективной проверке данных в ответ на растущую обеспокоенность по поводу подделки данных.
Эти структуры обеспечивают быструю и децентрализованную проверку данных. Если хотя бы один бит данных внутри блока изменен, хеш этого блока изменится. Это приводит к изменениям в хэшах родительских узлов и в конечном итоге влияет на корень Меркла. В результате, если кто-то попытается подделать данные в дереве, изменение станет сразу очевидным при сравнении пересчитанного корня Меркла с известным, подлинным корнем Меркла. Таким образом, деревья Меркла позволяют пользователям быстро проверять информацию без необходимости проверки всего набора данных. Такая эффективность полезна в сценариях, в которых задействованы большие объемы данных.
Структура деревьев Меркла в блокчейне
Структура деревьев Меркла в блокчейне представляет собой перевернутое дерево с тремя основными уровнями. Вверху находится корень Меркла, нелистовые узлы занимают среднюю часть, а листовые узлы находятся внизу.
Листовые узлы являются строительными блоками дерева Меркла. Это хеши каждой транзакции, происходящей в данном блоке. Они еще называются идентификаторами транзакций (TXID), которые можно просмотреть через обозреватель блоков.
Нелистовые узлы, образующие второй уровень дерева Меркла, представляют собой пучки парных хешей листовых узлов. Свое название они получили из-за того, что не содержат TXID. Вместо этого они хранят только хэши транзакций двух конечных узлов, создающих их.
В самом верхнем нелистовом узле дерева находится корень Меркла. Это единый хэш, представляющий все хэши транзакций блока. Корень Меркла является эксклюзивным идентификатором блока и имеет решающее значение для проверки его подлинности.
Как работают деревья Меркла в блокчейне
Вот как работает Merkle Tree в блокчейне:
- Хеширование транзакций. Криптографическая хеш-функция, например SHA-256, хеширует все транзакции в блоке. Этот процесс создает уникальный идентификатор (хеш) для каждого, что делает эти данные неизменными;
- Сопряжение хэшей. Одна и та же функция объединяет и хеширует два хеша транзакций для создания нового. Это сопряжение и хеширование повторяется на каждом уровне, при этом каждый дочерний узел образует новый родительский узел;
- Формирование корня Меркла. Последние два родительских (нелистовых) узла объединяются в пары, образуя единый хеш — корень Меркла. Это криптографический отпечаток всего блока и его заголовок;
- Проверка целостности блока. Можно проверить целостность данной транзакции, получив соответствующий хеш из корня Меркла. Начиная оттуда и следуя родительским узлам, можно воссоздать корень Меркла. Если они совпадают, то транзакции в блоке являются подлинными.
Пример хеширования транзакций A, B, C, D:
- Хеширование каждой транзакции:
- хешА = хэш(А)
- хешB = хеш(B)
- хешC = хэш(C)
- хешD = хеш(D)
- Сопряжение и хеширование. Хэши объединяются в пары и хешируются вместе:
- hashAB = хеш(хешA + хешB)
- hashCD = хеш(хешC + хешD)
- Создание корня Меркла. Полученные хэши хэшируются для создания корня Меркла:
- MerkleRoot = хеш(хешAB + хешCD).
Почему деревья Меркла важны для блокчейнов
Деревья Меркла обеспечивают целостность, эффективность и масштабируемость данных в сетях. Хешируя отдельные транзакции и объединяя их в корень Меркла, они создают защищенный от несанкционированного доступа идентификатор для каждого блока. Таким образом, любое исправление транзакции изменяет корень Меркла, предупреждая сеть о потенциальном вмешательстве. Более того, они помогают добиться эффективности проверки. Пользователи могут быстро проверить честность транзакции, сравнив ее хэши с хэшами в дереве Меркла, им не нужно загружать и сравнивать целые блоки.
Использование деревьев Меркла также способствуют масштабируемости блокчейна за счет снижения требований к передаче и проверке данных. Таким образом, они помогают улучшить производительность сети. Кроме того, минимизируют потребности в хранилище, сохраняя только корень Меркла и соответствующие хэши транзакций.
Преимущества и недостатки
| Плюсы | Минусы |
| Позволяют участникам быстро обнаружить любое вмешательство или несоответствия в данных без необходимости проверять весь набор данных. Это ценно в больших распределенных системах, таких как блокчейны, где проверка целостности данных всего реестра может быть сложной задачей; | Рост вычислительных затрат. Создание дерева Меркла включает хеширование каждого блока данных, а затем объединение хэшей, что может привести к увеличению вычислительных затрат, особенно для огромных наборов |
| Позволяют компактно представлять данные. Необходимо сохранить или передать только корневой хеш, поэтому идеально использовать для сценариев, где хранилище или пропускная способность ограничены; | Безопасность во многом зависит от безопасности используемой хэш-функции. В результате, если в выбранной хэш-функции обнаружатся уязвимости, это может ослабить безопасность всей структуры. |
| Обладают высокой степенью защиты от подделки данных. Если какая-либо часть данных внутри блока изменяется, хэш этого блока изменится. Следовательно, это влияет на хеши родительских узлов и корня Меркла. Благодаря этому атрибуту злоумышленникам сложно изменить данные без обнаружения; | |
| Допускают параллельную проверку. В большом наборе данных разные части дерева могут проверяться одновременно разными сторонами или узлами. Эта функция повышает общую эффективность проверок целостности данных. |
Заключение
Дерево Меркла, названное в честь Ральфа Меркла, представляет собой информационную структуру, которая кодирует все данные в блокчейне.
Корень блока Меркла используется для создания уникального хеш-блока путем объединения его с хешем предыдущего блока, правильным одноразовым номером, версией программного обеспечения, меткой времени и другой необходимой информацией. Каждая транзакция имеет уникальный хэш, и все хеши одного блока объединяются для создания хеша всего блока. Таким образом, становится практически невозможным подделать транзакцию, поскольку придется незаметно изменить все хеши.
13.06.2023
