La blockchain est un grand livre décentralisé permettant d'enregistrer des données. C'est la technologie qui se cache derrière les crypto-monnaies. Contrairement à un grand livre manuel, la blockchain est immuable, tout enregistrement sur la blockchain est définitif et ne peut être corrompu. Parmi les caractéristiques contribuant à l'unicité de la blockchain figurent l'arbre de merkle et la racine de merkle.

L'arbre de Merkle fait partie intégrante de la blockchain. Elle permet de vérifier efficacement les transactions et de maintenir l'intégrité des informations stockées sur la blockchain. Dans un réseau décentralisé comme Bitcoin, où chacun possède une copie des données du réseau, il est nécessaire de vérifier que ces données sont valides afin d'en assurer la cohérence. Voyons comment l'arbre de merkle et la racine de merkle sont applicables dans la blockchain.

Qu'est-ce qu'un arbre de Merkle ?

Un arbre de merkle est une structure utilisée pour vérifier et maintenir de manière efficace et efficiente l'intégrité des données dans un ensemble. Il se compose de plusieurs hachages de transactions disposés dans une structure arborescente. Les fonctions de hachage sont utilisées dans la blockchain pour représenter les détails des transactions de manière simple et cohérente. En d'autres termes, le hachage consiste à prendre une entrée de n'importe quelle longueur et à renvoyer une sortie d'une longueur fixe. L'utilisation de fonctions de hachage pour représenter les informations facilite le traitement efficace de grandes quantités d'informations.

L'arbre de Merkle a été développé en 1980 par un professeur de Stanford, Ralph Merkle. Il a présenté cette technologie dans son article sur les signatures numériques intitulé "A certified digital signature". Les arbres de Merkle sont surtout utilisés dans les réseaux peer-to-peer (P2P) où les informations sont partagées et validées indépendamment. L'arbre de merkle est largement utilisé dans les crypto-monnaies telles que le bitcoin pour vérifier la validité des transactions.

La blockchain, comme son nom l'indique, est constituée de blocs reliés entre eux. Chaque bloc est capable d'accueillir des milliers de données transactionnelles. La vérification des transactions sur le réseau nécessite beaucoup d'espace et de puissance de traitement. Mais à l'aide d'un arbre de merkle, les transactions peuvent être vérifiées sans nécessairement passer par des milliers de transactions sur le réseau.

Les transactions sont regroupées par paires et le hachage de chaque paire est trouvé et stocké dans le nœud parent. Les nœuds parents sont également appariés et leur hachage est trouvé et stocké un niveau au-dessus. La tendance se poursuit jusqu'à ce que nous arrivions à la racine de l'arbre de hachage. En résumé, il existe trois types de nœuds sur l'arbre de Merkle.

1. Nœud feuille : Chaque transaction unique dans un bloc a sa valeur de hachage. Cette valeur de hachage est stockée sur le nœud feuille.
2. Nœud non feuille : Ce noeud est composé de valeurs de hachage provenant de différents noeuds feuilles. Il est l'intermédiaire entre le nœud feuille et le nœud racine.
3. Nœud racine : Il s'agit de la racine de l'arbre de merkle et contient un seul hachage représentant toutes les transactions d'un bloc qui est stocké dans l'en-tête du bloc.

Avec la structure ci-dessus, la vérification ne nécessitera que la vérification de l'en-tête du bloc plutôt que de l'ensemble du système. L'arbre de Merkle est dit binaire. Cela signifie que pour la construction correcte de l'arbre de merkle, le nombre de nœuds feuilles doit être pair. Mais dans une situation où nous avons un nombre impair de nœuds feuilles, le dernier est dupliqué pour le rendre pair.

Qu'est-ce qu'une racine Merkle ?

La racine de merkle est le hachage de tous les hachages de transactions dans l'arbre de merkle. Lorsque les transactions ont été appariées et hachées avec succès, le résultat est la racine merkle. Un changement dans n'importe quelle donnée entraînera un changement dans la racine de merkle. Ainsi, la racine merkle garantit qu'aucune donnée du réseau n'est altérée.

Comment fonctionne un arbre de Merkle ?

L'arbre de merkle décompose les données en vrac en unités plus petites qui peuvent être facilement manipulées. Il combine toutes les données transactionnelles d'un bloc pour produire une empreinte numérique unique. La vérification des transactions devient donc plus facile et plus rapide.

L'arbre de Merkle est formé en combinant et en hachant différentes paires de nœuds. Le résultat est la racine merkle. La structure d'un arbre de merkle va de bas en haut (de la racine aux feuilles). Différentes transactions des noeuds feuilles sont jumelées pour former les noeuds non feuilles jusqu'à ce que nous arrivions au noeud racine.

Pour avoir une compréhension plus claire d'un arbre de merkle, considérez un bloc avec 8 transactions différentes, T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7, et T8. Chaque transaction est hachée pour produire H1, H2, H3, H4, H5, H6, H7 et H8. Les hachages sont ensuite appariés et hachés à nouveau pour donner H(12), H(34), H(56), et (H78). Le résultat est apparié une fois de plus et haché pour donner H(1234) et H(5678). Un pas de plus donnera H(12345678) comme racine merkle. Le schéma ci-dessous représente un arbre de merkle construit à partir de 8 transactions différentes dans un bloc.

L'explication ci-dessus vous donne un aperçu du concept d'un arbre de merkle, bien qu'il soit plus compliqué que ce que nous avons. La racine merkle générée à la fin est stockée dans l'en-tête du bloc et utilisée pendant le processus d'extraction. Par exemple, dans le réseau Bitcoin, l'en-tête du bloc est haché plutôt que de traiter des transactions séparées. Avec la racine merkle présente dans l'en-tête du bloc, tout changement dans les données initiales sera facilement détecté. Cela rend l'ensemble du système inviolable.

Avantages de l'arbre de Merkle

L'utilisation de l'arbre de merkle et des racines de merkle dans la blockchain offre tellement d'avantages. Parmi les plus importants, citons :

Processus efficace de vérification des données

L'arbre de Merkle offre un moyen efficace de vérifier les transactions sans consommer beaucoup de puissance de traitement.

Moins de capacité de mémoire

La vérification des transactions à l'aide d'un arbre de merkle ne nécessite pas le téléchargement de l'ensemble de la blockchain. Par conséquent, le calcul nécessite moins d'espace par rapport aux autres structures de données.

Transactions rapides

Comme les transactions sont appariées et qu'un seul hachage est produit, le transfert d'informations sur le réseau devient plus rapide. C'est l'une des principales raisons pour lesquelles le transfert des crypto-monnaies est très rapide.

Détection de sabotage

L'arbre de merkle permet de détecter quand une transaction a été falsifiée. Lorsqu'une transaction est hachée et stockée sur la blockchain, un changement dans les informations initiales entraînera également un changement dans le hachage. Ceci peut être détecté en comparant le hachage actuel avec le hachage stocké dans l'en-tête du bloc.

Pourquoi les arbres de Merkle et les racines de Merkle sont-ils essentiels dans la blockchain ?

La blockchain est constituée de chaînes de blocs. Un seul bloc peut contenir jusqu'à des milliers de transactions différentes. Le hachage racine obtenu à la fin de l'arbre de merkle résume toutes les transactions contenues dans ce bloc. Cela rend le processus de vérification efficace et toute altération sera facilement détectée.

Dans une situation où l'arbre de merkle n'est pas utilisé, chaque nœud du réseau aura sa copie du grand livre. La validation des transactions dans un tel système nécessitera de passer par toutes les copies du nœud et de les comparer. La comparaison de différentes versions du grand livre exigera beaucoup de puissance de calcul et d'espace mémoire. Mais avec l'aide d'un arbre de merkle, ce processus est contourné et la vérification est rendue possible en utilisant une puissance de calcul minimale.

Applications des arbres de Merkle et des racines de Merkle dans la blockchain

Les arbres de merkle et les racines de merkle sont très importants dans la blockchain. Dans le réseau Bitcoin et d'autres crypto-monnaies, ils sont essentiels dans le processus d'extraction et de vérification.

Extraction

L'arbre de merkle fait partie intégrante du réseau Bitcoin. Pour vérifier les transactions et ajouter de nouveaux blocs, les mineurs du réseau sont chargés de hacher des données afin de générer une sortie qui respecte des conditions spécifiques. Cela peut coûter des trillions de tentatives avant de trouver une sortie valide. Pour ce faire, les mineurs devinent sans cesse des nombres aléatoires pour obtenir un résultat.

Le processus d'extraction est rendu plus facile et plus efficace grâce au hachage de la racine. Il suffit de construire un arbre de merkle approprié en utilisant les différentes transactions. Placez ensuite le hachage racine dans l'en-tête du bloc. Ainsi, pendant le minage, vous n'avez besoin de hacher que l'en-tête du bloc plutôt que le bloc entier.

Vérification

Lors de l'exécution d'un nœud sur un appareil à la puissance de traitement limitée. Il sera impossible de télécharger et de hacher toutes les transactions d'un bloc. Ce qu'il faut ici, c'est une preuve merkle ( une preuve qu'une transaction particulière est présente dans un bloc). Cela réduit le nombre de hachages à effectuer ; les transactions peuvent donc être vérifiées à l'aide de l'appareil.

Conclusion

Les arbres et les racines de Merkle sont conçus pour améliorer la vérification des données dans la blockchain. Ces outils permettent de garantir la validité des transactions sans avoir à télécharger l'ensemble du réseau. Ils sont le cerveau des portefeuilles mobiles d'aujourd'hui. Les utilisateurs peuvent interagir avec la blockchain sans avoir besoin d'avoir une copie complète du grand livre.