O blockchain é um livro-razão descentralizado para registro de dados. É a tecnologia por trás das criptomoedas. Ao contrário de um livro manual, o blockchain é imutável, qualquer registro no blockchain é final e não pode ser corrompido. Entre os recursos que contribuem para a singularidade do blockchain estão a árvore merkle e a raiz merkle.

A árvore Merkle é parte integrante do blockchain. Ele ajuda a verificar transações com eficácia e a manter a integridade das informações armazenadas no blockchain. Em uma rede descentralizada como o Bitcoin, onde todos possuem uma cópia dos dados da rede, é necessário verificar se tais dados são válidos para garantir a consistência. Vamos dar uma olhada em como a árvore merkle e a raiz merkle são aplicáveis no blockchain.

O que é uma Árvore Merkle?

Uma árvore merkle é uma estrutura usada para verificar e manter a integridade dos dados de forma eficaz e eficiente em um conjunto. Consiste em vários hashes de transação organizados em uma estrutura semelhante a uma árvore. As funções de hash são usadas no blockchain para representar os detalhes da transação de forma simples e consistente. Em outras palavras, hash é pegar uma entrada de qualquer tamanho e retornar uma saída de tamanho fixo. O uso de funções hash para representar informações facilita o manuseio eficiente de grandes quantidades de informações.

A árvore Merkle foi desenvolvida em 1980 por um professor de Stanford, Ralph Merkle. Ele apresentou a tecnologia em seu artigo sobre assinaturas digitais intitulado “Uma assinatura digital certificada” . As árvores Merkle são usadas principalmente em redes peer-to-peer (P2P), onde as informações são compartilhadas e validadas de forma independente. A árvore merkle é amplamente utilizada em criptomoedas como o Bitcoin para verificar a validade das transações.

A blockchain, como o nome indica, é composta de blocos interligados. Cada bloco é capaz de hospedar milhares de dados transacionais. A verificação de transações na rede exigirá muito espaço e poder de processamento. Mas com o auxílio de uma merkle tree, as transações podem ser verificadas sem necessariamente passar por milhares de transações na rede.

As transações são agrupadas em pares e o hash de cada par é encontrado e armazenado no nó pai. Os nós pais também são emparelhados e seu hash é encontrado e armazenado um nível acima. A tendência continua até chegarmos à raiz da árvore hash. Em resumo, existem três tipos de nós na árvore merkle.

1. Nó folha: Cada transação em um bloco tem seu valor de hash. Esse valor de hash é armazenado no nó folha.
2. Nó não folha: Este nó é composto de valores de hash de diferentes nós folha. É o intermediário entre o nó folha e o nó raiz.
3. Nó Raiz: Esta é a raiz da árvore merkle e contém um único hash representando todas as transações em um bloco que é armazenado no cabeçalho do bloco.

Com a estrutura acima, a verificação exigirá apenas a verificação do cabeçalho do bloco em vez de todo o sistema. Diz-se que a árvore merkle é binária. Isso significa que, para a construção adequada da árvore merkle, o número de nós de folha deve ser par. Mas em uma situação em que temos um número ímpar de nós folha, o último é duplicado para torná-lo par.

O que é uma Raiz Merkle?

A raiz merkle é o hash de todos os hashes de transações na árvore merkle. Quando as transações foram emparelhadas e hash com sucesso, o resultado é a raiz merkle. Uma alteração em qualquer dado levará a uma alteração na raiz merkle. Assim, o merkle root garante que nenhum dado na rede seja alterado.

Como funciona uma árvore Merkle?

A árvore merkle divide os dados em massa em unidades menores que podem ser facilmente manipuladas. Ele combina todos os dados transacionais em um bloco para produzir uma única impressão digital. Portanto, verificar as transações se torna mais fácil e rápido.

A árvore Merkle é formada pela combinação e hash de diferentes pares de nós. O resultado é a raiz merkle. A estrutura de uma árvore merkle vai de baixo para cima (da raiz às folhas). Diferentes transações dos nós folha são emparelhadas para formar os nós não folha até chegarmos ao nó raiz.

Para ter uma compreensão mais clara de uma árvore merkle, considere um bloco com 8 transações diferentes, T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7 e T8. Cada transação é hash para produzir H1, H2, H3, H4, H5, H6, H7 e H8. Os hashes são então emparelhados e hash novamente para dar H(12), H(34), H(56) e (H78). O resultado é emparelhado mais uma vez e hash para dar H(1234) e H(5678). Um passo adiante produzirá H(12345678) como a raiz merkle. O diagrama abaixo representa uma árvore merkle construída a partir de 8 transações diferentes em um bloco.

A explicação acima fornece uma visão do conceito de árvore merkle, embora seja mais complicado do que o que temos. A merkle root gerada no final é armazenada no cabeçalho do bloco e usada durante o processo de mineração. Por exemplo, na rede Bitcoin, o cabeçalho do bloco é hash em vez de lidar com transações separadas. Com a merkle root presente no cabeçalho do bloco, qualquer alteração nos dados iniciais será facilmente detectada. Isso torna todo o sistema inviolável.

Vantagens da Merkle Tree

Usar a árvore merkle e as raízes merkle no blockchain oferece muitas vantagens. Destacam-se entre eles:

Processo eficiente de verificação de dados

A árvore Merkle fornece um meio eficiente de verificar transações sem consumir muito poder de processamento.

Menos capacidade de memória

A verificação de transações usando uma árvore merkle não requer o download de todo o blockchain. Portanto, a computação requer menos espaço em comparação com outras estruturas de dados.

transações rápidas

Como as transações são emparelhadas e um único hash é produzido, a transferência de informações pela rede se torna mais rápida. Essa é uma das principais razões pelas quais a transferência de criptomoedas é muito rápida.

Detecção de adulteração

A árvore merkle permite detectar quando uma transação foi adulterada. Quando uma transação é hash e armazenada no blockchain, uma alteração nas informações iniciais também causará uma alteração no hash. Isso pode ser detectado comparando o hash atual com o hash armazenado no cabeçalho do bloco.

Por que as árvores Merkle e as raízes Merkle são essenciais no Blockchain

Blockchain consiste em cadeias de blocos. Um único bloco pode conter até milhares de transações diferentes. O hash raiz obtido no final da árvore merkle resume todas as transações contidas naquele bloco. Isso torna o processo de verificação eficiente e qualquer alteração será facilmente detectada.

Em uma situação em que a árvore merkle não é usada, todos os nós da rede terão sua cópia do ledger. A validação de transações em tal sistema exigirá passar por todas as cópias do nó e compará-las. A comparação de diferentes versões do livro-razão exigirá muito poder de computação e espaço de memória. Mas com a ajuda de uma árvore merkle, esse processo é contornado e a verificação torna-se possível usando o mínimo de poder computacional.

Aplicações de Merkle Trees e Merkle Roots em Blockchain

Árvores Merkle e raízes merkle são muito importantes na blockchain. Na rede Bitcoin e outras criptomoedas, eles são essenciais no processo de mineração e verificação.

Minerar

A árvore merkle é parte integrante da rede Bitcoin. Para verificar as transações e adicionar novos blocos, os mineradores da rede são encarregados de fazer hash de dados para gerar uma saída que atenda a condições específicas. Isso pode custar trilhões de tentativas antes de encontrar uma saída válida. Para fazer isso, os mineradores continuam adivinhando números aleatórios para obter uma saída.

O processo de mineração é facilitado e mais eficiente usando o hash raiz. Tudo o que é necessário é construir uma árvore merkle adequada usando as diferentes transações. Em seguida, coloque o hash raiz no cabeçalho do bloco. Portanto, durante a mineração, você só precisa fazer o hash do cabeçalho do bloco, e não do bloco inteiro.

Verificação

Ao executar um nó em um dispositivo com poder de processamento limitado. Será impossível baixar e fazer o hash de todas as transações em um bloco. O que é necessário aqui é uma prova merkle (uma prova de que uma determinada transação está presente em um bloco). Isso reduz o número de hash a serem feitos, portanto, as transações podem ser verificadas usando o dispositivo.

Conclusão

As árvores Merkle e as raízes merkle são projetadas para aprimorar a verificação de dados no blockchain. Essas ferramentas ajudam a garantir a validade das transações sem a necessidade de baixar toda a rede. Eles são o cérebro por trás das carteiras móveis hoje. Os usuários podem interagir com o blockchain sem a necessidade de ter uma cópia completa do registro.