درخت مرکل فرآیند ذخیره سازی هش تراکنش ها در بلاک چین را ساده می کند. این مفهوم همه تراکنش ها را در یک بلوک جمع می کند و به طور موثر آنها را در قالب یک هش برای ذخیره سازی ایمن تر و سریع تر رمزگذاری می کند. با استفاده از درخت مرکل، اعتبار داده ها را می توان به سرعت توسط یک هش نهایی ارزیابی کرد. این فرآیند ذخیره سازی داده ها را ساده می کند اما یکپارچگی امنیتی را نیز حفظ می کند.
مفهوم درخت مرکل
اصطلاح درخت مرکل دو ریشه دارد. بخش اول، آن مرکل، به رالف مرکل، دانشمند کامپیوتر و ریاضیدان آمریکایی اشاره دارد که سهم قابل توجهی در رمزنگاری کلید عمومی داشته است. مرکل در ابتدا در سال 1987 درختان هش دوتایی را در مقاله ای با عنوان “یک امضای دیجیتال بر اساس یک تابع رمزگذاری مرسوم” پیشنهاد کرد. مرکل همچنین هش رمزنگاری مورد استفاده در درخت مرکل را اختراع کرد. بخش دوم اصطلاح درخت مرکل از ساختار آن نشات می گیرد. درخت مرکل یا درخت هش باینری ساختار داده ای است که تا حدودی شبیه به درخت است. درختان مرکل شامل شاخه ها و برگ هایی هستند که هر برگ یا شاخه حاوی هش یک بلوک از داده ها است.
درختان مرکل به منابع کامپیوتری زیادی نیاز ندارند. در واقع، آنها فضای ذخیره سازی مورد نیاز برای داده ها را با کامپایل چندین هش تراکنش در یک تراکنش کاهش می دهند. استفاده از منابع مدت‌هاست که در صنعت کریپتو مورد بحث بوده است. دلیل آن این است که شبکه های بلاک چین می توانند فضای ذخیره سازی و انرژی زیادی را مصرف کنند. بنابراین استفاده از درختان مرکل به کاهش این مشکل کمک می کند. از سوی دیگر، ذخیره داده ها در زنجیره می تواند گران باشد. بنابراین، استفاده از درختان مرکل برای کاهش حجم داده ها می تواند به پلتفرم های بلاک چین در صرفه جویی در هزینه کمک کند.
علاوه بر فرآیند فوق درخت مرکل خیلی زود، این خبر خوبی در مورد بهره وری است. به هر حال، بسیاری از بلاک چین ها برای مدت زمان طولانی تراکنش (از جمله بیت کوین) طراحی شده اند، بنابراین هر فرآیندی که بتواند به این امر کمک کند یک امتیاز مثبت است. درختان مرکل در بسیاری از زمینه‌های محاسباتی، به‌ویژه رمزنگاری و رمزگذاری استفاده می‌شوند، اما بیشتر به دلیل حضور در بلاک چین‌های ارزهای دیجیتال معروف هستند. جالب است بدانید که بیت کوین، اتریوم، دوج کوین و سایر ارزهای دیجیتال از درخت مرکل استفاده می کنند. بنابراین، بدون شک این مفهوم عنصر مهمی در دنیای ارزهای دیجیتال و بلاک چین محسوب می شود.
درخت مرکل چگونه کار می کند؟
در زیر نموداری از نحوه عملکرد آن آمده است درخت مرکل وارد شده است توجه داشته باشید که در واقع تراکنش ها و هش های بیشتری در هر درخت وجود خواهد داشت، اما این تصویر فرآیند را ساده می کند تا بتوانید ایده ای از مراحل مربوط به آن داشته باشید.
در نگاه اول به این نمودار درخت مرکل، ممکن است همه چیز کمی پیچیده به نظر برسد، اما فرآیند هش کردن درخت مرکل زمانی که شکسته شود بسیار ساده است. باید بدانید که مراحل مختلفی در فرآیند درخت مرکل ایجاد می شود. هش های موجود در پایین درخت مرکل به عنوان برگ شناخته می شوند و هش های وسط درخت را شاخه می گویند. شاخه ها را گاهی گره های غیر برگ می نامند. پایین نمودار بلوک های داده یا تراکنش هایی را نشان می دهد که هش از آنها ظاهر می شود.
سوابق مرکل چیست؟
ریشه مرکل یک روش ریاضی ساده برای بررسی حقایق است درخت مرکل در رمزارزها استفاده می شود تا اطمینان حاصل شود که بلوک های ارسال شده از طریق شبکه همتا به همتا کامل، سالم و بدون تغییر هستند. ریشه مرکل نقش بسیار مهمی در محاسبات مورد نیاز برای پشتیبانی از ارزهای دیجیتال مانند بیت کوین و اتر دارد.
یادداشت هایی در مورد درخت مرکل
درختان مرکل، همچنین به عنوان درختان هش باینری شناخته می شوند، یک ساختار داده رایج در علوم کامپیوتر هستند. در بیت کوین و سایر ارزهای دیجیتال، از آنها برای رمزگذاری داده های بلاک چین به روشی کارآمدتر و ایمن تر استفاده می شود. این مفهوم یک ساختار داده ریاضی است که از هش های بلوک های مختلف داده تشکیل شده است که تمام تراکنش های هر بلوک را خلاصه می کند. همچنین اعتبارسنجی محتوای سریع و ایمن مجموعه داده های بزرگ را امکان پذیر می کند و ثبات و محتوای داده ها را تأیید می کند.
برای درک تاثیر سرعت هش بر قیمت بیت کوین مقاله مربوطه را مطالعه کنید.
همانطور که در بالا ذکر شد، درختان مرکل به ویژه در سیستم های توزیع شده نظیر به نظیر که در آن داده های یکسان باید در مکان های مختلف وجود داشته باشد، مفید هستند. این سیستم ها از درختان مرکل یا انواع درخت مرکل در اجرای خود استفاده می کنند. جالب است بدانید که Git یک سیستم کنترل نسخه محبوب است که عمدتاً توسط برنامه نویسان استفاده می شود. همه فایل های ذخیره شده همیشه در رایانه هر کاربر ذخیره می شوند. بنابراین، بسیار مهم است که بررسی کنید که این تغییرات در هر کامپیوتر یکسان است. از سوی دیگر، بیت کوین یک ارز محبوب آنلاین و ناشناس است و تمام تراکنش های آن در بلوک های بلاک چین ذخیره می شود. برگها درخت مرکل در بیت کوین معمولاً بلوک های هش جداگانه استفاده می شود. هر زمان که شخصی بخواهد بلاک چین را تغییر دهد، مثلاً با اضافه کردن تراکنش‌ها، این تغییر باید در همه جا منعکس شود.
درختان مرکل را می‌توان برای بررسی ناسازگاری‌ها در مواردی بیش از فایل‌ها و ساختارهای داده اولیه مانند زنجیره‌های بلوکی استفاده کرد. آپاچی کاساندرا و سایر سیستم‌های NoSQL از درختان مرکل برای تشخیص ناسازگاری بین نسخه‌های کل پایگاه‌های داده استفاده می‌کنند. وب سایتی را تصور کنید که توسط مردم در سراسر جهان استفاده می شود. این وب سایت احتمالاً به پایگاه های داده و سرورهای سراسر جهان نیاز دارد تا زمان بارگذاری مناسبی داشته باشد. اگر یکی از این پایگاه ها تغییر کند، هر پایگاه داده دیگری نیز باید به همین ترتیب تغییر کند. هش ها را می توان از قسمت هایی از پایگاه های داده تولید کرد و درختان مرکل می توانند ناسازگاری ها را تشخیص دهند.
ویژگی و پروتکل درخت مرکل
در سیستم های مختلف توزیع شده و همتا به همتا، تایید داده ها بسیار مهم است. این به این دلیل است که داده های یکسان در چندین مکان وجود دارد. بنابراین، اگر یک قطعه داده در یک مکان تغییر کند، مهم است که داده ها در همه جا تغییر کنند. برای اطمینان از یکسان بودن داده ها از اعتبارسنجی داده ها استفاده می شود. با این حال، زمانی که سیستم می‌خواهد داده‌ها را تأیید کند، بررسی کل فایل زمان‌بر و از نظر محاسباتی پرهزینه است. به همین دلیل از درختان مرکل استفاده می شود. اساساً، ما می خواهیم تا حد امکان مقدار داده ارسال شده از طریق شبکه ای مانند اینترنت را محدود کنیم. بنابراین به جای ارسال یک فایل کامل از طریق شبکه، فقط یک هش از فایل را ارسال می کنیم تا ببینیم آیا مطابقت دارد یا خیر. پروتکل به شرح زیر است:
- کامپیوتر A یک هش از فایل را به کامپیوتر B می فرستد.
- کامپیوتر B هش را در مقابل ریشه چک می کند درخت مرکل وجود دارد.
- اگر تفاوتی وجود ندارد، کار شما تمام شده است. در غیر این صورت به مرحله 4 می رویم.
- اگر تفاوتی در یک هش داده شده وجود داشته باشد، کامپیوتر B ریشه های دو درخت فرعی آن هش را درخواست می کند.
- کامپیوتر A هش های لازم را تولید کرده و به کامپیوتر B ارسال می کند.
مراحل 4 و 5 تکرار می شوند تا بلوک های داده متضاد پیدا شوند. ممکن است بیش از یک بلوک خطا پیدا شود زیرا ممکن است بیش از یک خطا در داده ها وجود داشته باشد.
وظیفه درختان مرکل
درخت مرکل همه تراکنش‌ها را در یک بلوک جمع‌آوری می‌کند، یک ردپای دیجیتالی از کل مجموعه عملیات ایجاد می‌کند و به کاربر اجازه می‌دهد تا بررسی کند که یک تراکنش در بلوک وجود دارد. درختان مرکل با هش کردن مکرر جفت گره ها ساخته می شوند. تا زمانی که فقط یک هش باقی بماند. این هش با نام Merkle Root یا Root Hash شناخته می شود. در حقیقت؛ آنها از پایین به بالا با استفاده از شناسه های تراکنش ساخته می شوند. هر گره غیر برگ هش هش قبلی خود است و هر گره برگ هش داده تراکنش است. در زیر یک نمونه کوچک از درخت مرکل برای درک بهتر این مفهوم، بلاک چین را به شما نشان خواهیم داد.
سناریوی معکوس را در نظر بگیرید: A، B، C و D چهار تراکنش هستند که همگی در یک بلوک اجرا می شوند. سپس هر تراکنش هش می شود و شما را با موارد زیر باقی می گذارد:
هش ا
هش بی
C هش
هش دی
هش‌ها جفت می‌شوند و در نتیجه:
هش AB
هش سی دی
بنابراین، Merkle Root شما با ترکیب این دو هش تشکیل می شود: Hash ABCD.
بطور کلی درخت مرکل بسیار پیچیده تر است. به خصوص زمانی که هر شناسه تراکنش 64 کاراکتر باشد. با این حال، مثال بالا به شما کمک می کند تا ایده خوبی از نحوه کار الگوریتم ها و دلیل کارکرد آنها داشته باشید.
چرا درخت مرکل برای بلاک چین ضروری است؟
برای درک اهمیت درختان مرکل، ابتدا یک بلاک چین بدون درختان مرکل را در نظر بگیرید تا بفهمید چقدر برای فناوری بلاک چین حیاتی هستند. به عنوان مثال، اگر بیت کوین شامل درختان مرکل نمی شد، هر گره در شبکه باید یک نسخه کامل از هر تراکنش بیت کوینی را که انجام می شود نگه می داشت. این اطلاعات مطمئناً بسیار مهم است و باید به آن توجه کرد. از آنجایی که هر درخواست احراز هویت در بیت کوین به حجم عظیمی از داده ها برای انتقال از طریق شبکه نیاز دارد، اینطور نبود. درخت مرکل باید خودتان داده ها را بررسی کنید.
درختان مرکل یک راه حل اعتبار سنجی و محاسباتی هستند. به عبارت دیگر، آنها ورودی های دفتر را هش می کنند، بنابراین اثبات داده ها را از خود داده ها جدا می کنند. علاوه بر این، اثبات اینکه ارائه مقادیر کم اطلاعات به شبکه تنها چیزی است که برای معتبر بودن یک تراکنش لازم است، از طریق درخت مرکل انجام می شود. همچنین به شما امکان می دهد نشان دهید که هر دو نوع دفتر کل از نظر قدرت نامی رایانه و پهنای باند شبکه یکسان هستند.
توابع هش رمزنگاری چیست؟
هر تابع هش توانایی تعریف هر نوع داده با اندازه و طول دلخواه را با مقدار ثابتی از خروجی دارد. به طور معمول، این ویژگی به شدت در رمزنگاری در شبکه های بلاک چین استفاده می شود. توابع هش برای رمزگذاری دارایی ها مفید هستند و مسیر تعریف شده برای آنها برگشت ناپذیر است. برای درک بهتر این نوع تابع، مثال زیر را در نظر بگیرید: اگر از الگوریتم هش SHA256 استفاده شود و 101 بلاک چین به عنوان ورودی در نظر گرفته شود، خروجی های زیر به دست می آید:
fbffd63a60a5874e86a17f712bab874f33ac9
در زیر می توانیم تعدادی از ویژگی های کلیدی هر تابع هش را مشاهده کنیم:
- واضح و قطعی هستند.
- امکان مهندسی معکوس آنها وجود ندارد.
- آنها عملا کاربردی و مفید هستند.
- امکان یافتن دو داده با نتیجه یکسان در آنها کم است.
مزایای درخت مرکل در بلاک چین
- بررسی یکپارچگی داده ها: می توان از آن برای اعتبارسنجی موثر داده ها استفاده کرد.
- فضای کمی را اشغال می کند: در مقایسه با سایر ساختارهای داده، درخت مرکل فضای بسیار کمی را اشغال می کند.
- برخی اطلاعات از نت: درختان مرکل را می توان به قطعات کوچکتری از داده ها برای اعتبار سنجی تقسیم کرد.
- اعتبارسنجی عملکرد: فرمت داده کارآمد است و بررسی یکپارچگی داده ها فقط چند دقیقه طول می کشد.
