Дерево Меркла: значение для Биткоина

Что такое дерево Меркла

Дерево Меркла или хеш-дерево (названное в честь Ральфа Меркла, запатентовавшего его в 1979 году) – это дерево, в котором каждый листовой узел определяется криптографическим хешем блока данных, а каждый нелистовой узел – криптографическим хешем меток своих дочерних узлов. Большинство реализаций дерева Меркла бинарны (каждый узел имеет два дочерних узла), но теоретически они могут иметь гораздо больше дочерних узлов.

Биткоин использует дерево Меркла для более эффективного шифрования данных блокчейна. Таким образом, можно представить все транзакции, содержащиеся в блоке, с помощью хешей. С практической точки зрения такой подход позволяет добиться быстрой и надежной проверки целостности и неизменяемости всех представленных данных. Впервые применил дерево Меркла к сети Биткоина непосредственно сам Сатоши Накамото.

Демонстрация того, что листовой узел является частью определенного двоичного хеш-дерева, требует вычисления количества хешей, пропорционального логарифму количества листовых узлов дерева; такая схема вычисления отличается от хеш-списков, где количество хешей пропорционально количеству самих листовых узлов.

Для подтверждения информации относительно дерева Меркла используется специальный математический метод – корень Меркла. Таким образом, протокол Биткоина может гарантировать, что блоки данных, которые направляются через пиринговую сеть, являются целыми, невредимыми и неизменными. Как следствие – эффективно нейтрализуются риски двойной траты или другие манипуляции с коинами.

Хеш-функция отображает любой тип произвольных данных любой длины в исходные данные фиксированного размера. Более того, даже незначительное изменение в исходных данных будет приводить к совершенно другому хешу. В Биткоине используется надежный алгоритм хеширования SHA256.

Например, слово «Bitcoin» будет представлено следующим хешем: b4056df6691f8dc72e56302ddad345d65fead3ead9299609a826e2344eb63aa4

А «Bitcoin!» – таким: b81bf654dc352f66a0fcb51da8a260b60cf4a92dcf01f04f5f523961d9f6a6d7

Отметим, что хеш стал совсем другим, а общее количество знаков осталось неизменным.

Использование хеш-функций в протоколе Биткоина уместно по следующим причинам. Во-первых, они детерминистические, то есть одна и та же информация будет всегда ассоциироваться с тем же хешем (при условии, что используется тот же алгоритм хеширования). Во-вторых, достигается наибольшая эффективность в расчетах и вычислениях. Следовательно, имеющиеся энергоресурсы используются наиболее эффективным способом.

В итоге после создания определенного алгоритма хеширования в него уже невозможно внести изменения. Таким образом, достигается защищенность от влияния разработчиков или других несанкционированных попыток изменить презентацию данных. Стабильность хешей способствует устойчивой работе сети и интеграции различных функций таким способом, который отвечает информационным потребностям владельцев BTC.

Использование и преимущества дерева Меркла

Дерево Меркла представляет все транзакции в блоке и генерирует цифровой отпечаток всего набора операций, что позволяет пользователю проверить, включена ли определенная транзакция в блок. Деревья Меркла создаются путем многократного хеширования пар узлов, пока не останется только один хеш; он известен как корень Меркла, или корневой хеш. Они строятся снизу, используя идентификаторы транзакций, являющихся хешами отдельных операций. Каждая нелистовая вершина – хеш предыдущего хеша, а каждая листовая вершина – хеш данных транзакции.

Использование дерева Меркла является одним из способов практической реализации идей Биткоина наиболее эффективным и надежным способом. Его можно использовать для проверки целостности данных. По сравнению с другими структурами данных дерево Меркла занимает очень мало оперативной памяти.

В случае отсутствия дерева Меркла каждая полная нода должна была бы хранить полную копию каждой транзакции биткоина, которая когда-либо была осуществлена. Такой большой объем данных мешал бы большинству биткоинеров использовать полные ноды. Как следствие – сеть могла бы быть более уязвимой к попыткам двойной траты или других типов атак.

Другим преимуществом деревьев Меркла является то, что их можно разбить на небольшие фрагменты данных для проверки. Следовательно, пользователь может эффективно проверить наличие и корректность определенных транзакций. Таким образом, возможен взаимный контроль над операциями и поддерживается функционирование полностью децентрализованной системы, что не требует доверия к третьим лицам.

К тому же формат данных эффективен, а проверка целостности данных занимает всего несколько минут. Поскольку такие проверки не требуют значительных вычислительных ресурсов и времени, они могут быть независимо реализованы разными участниками сети. С одной стороны, все участники сети могут прийти к определенному консенсусу относительно целостности данных, а эффективный контроль создаст дополнительные стимулы к соблюдению правил сети и осуществлению лишь корректных транзакций.

Деревья Меркла хешируют записи в реестре, таким образом отделяя доказательство данных от данных. Даже проверка небольшого объема информации позволяет подтвердить цельность транзакций, фокусируясь на необходимых доказательствах данных. Таким образом наглядно реализуется один из базовых принципов биткоинеров: «Не доверяй – проверяй».

Выводы

Стремительное развитие сети Биткоина и привлечение новых пользователей приводит к экспоненциальному росту объема транзакций. Традиционные методы не позволяют проверить целостность и корректность транзакций быстро и качественно. Но эти проблемы могут эффективно решаться с помощью деревьев Меркла, анализирующих доказательства данных, не загружая непосредственно сами данные. Части деревьев Меркла могут анализироваться независимо, способствуя таким образом удовлетворению потребностей участников.