Достижения в математике, криптографии позволяют внедрять в блокчейн технологии шифрования и безопасности. С таким улучшением паттернов пользователь получает удобные инструменты проверки блоков.
В основе этого инструмента используется дерево Меркла, о котором в подробностях поговорим далее.
Рассмотрим историю создания технологии в ХХ веке, авторство. Добавим о структуре «дерева», применении в индустрии. Опубликуем преимущества и недостатки, приведем примеры относительно использования технологии.
Что такое дерево Меркла?
Уникальный способ организации данных на основе математического паттерна называется деревом Меркла. Технология кратно упрощает процесс верификации достоверности данных. Фактически метод помогает экономить ресурсы и повышает защищенность экосистемы.
Важно: подход начали использовать как эффективный метод шифрования информации в блокчейне.
Каждый из блоков информации, или массив, не только шифруется, но и сжимается в объеме. К тому же значения связаны между собой в общей структуре “дерева”. Востребованность технологии можно объяснить скоростью проверки. Например, в P2P при независимой проверке обязательно используются хеш-функции как способ организации данных.
Кто придумал дерево Меркла?
Разработка и внедрение принципа древовидной структуры начинается уже с середины XX века. Информатика и математика позволили энтузиастам к 1979 году разработать новую концепцию.
Авторство идеи и ее реализация принадлежит американскому криптографу Ральфу Мерклу.
Научная деятельность разработчика привела к появлению концепции “дерева”, эффективной системы организации структуры данных. Спустя десять лет достижения информатики начинают активно применять в криптографических протоколах.
В дальнейшем дерево хешей стало использоваться Мерклом непосредственно для верификации подлинности транзакций в сети.
Зачем нужно дерево Меркла? Структура дерева
Преимущества хеш-системы и древовидной структуры связаны с основным достоянием блокчейна — безопасностью. С использованием модели разрабатывают блокчейн-экосистемы, интернет-соединения и продвинутые алгоритмы шифрования.
Особенности структуры дерева Меркла
Хеш-дерево выделяется бинарной структурой, а значит — распределяется только по двум ветвям. Каждая из строк перевернутого дерева используется по назначению. Например, в нижней строке разместили ведущие ноды. Промежуточная используется под нелистовые, а верхняя — под корневые.
Важно: отметим наличие дочерних нод у каждой, которые не всегда ограничиваются только двумя.
Древовидная структура предполагает сжатие, сокращение объема. Чтобы реализовать это, используются хеш-функции. Технология позволяет сформировать достаточный объем бинарной информации в простой хеш-код. К тому же, часть этой последовательности — это отдельный параметр, который фиксирует длину блока.
Рассмотрим, чем выделяются каждая из нод:
- Листовая. Стандартный параметр, который идентифицирует транзакцию. Каждый юзер при необходимости может просматривать хеш с подробностями и транзакции.
- Нелистовая. Противопоставляется предыдущему типу нодов, поскольку хранит информацию о двух листовых нодах и не хранит данные о транзакциях. Такой тип блоков формируется попарно и сужается по мере приближения к корневой системе “дерева”.
- Корневая. Корень структуры используется для верификации достоверности всех данных. Такая нода объединена в единый хеш и подписана в заголовке. Этот тип ноды является гарантией неизменности данных. Дерево Меркла бинарное, поэтому в системе поддерживается парное распределение информации. При наличии нечетных чисел допускается дублирование предыдущего хеша, чтобы сбалансировать структуру.
Дополнительную информацию раскроем в следующем блоке — что касается принципа работы технологии, древовидной структуры.
Как работает дерево Меркла?
Технология Меркла используется, чтобы сократить блоки с информацией, а значит — уменьшить размер. С блоками меньшего объема системе работать проще, а проверка данных происходит оперативнее. Древовидная структура формируется в результате хеширования нод по парам до момента, пока сформируется единственный корень Меркла.
По тезисам разберем принцип работы технологии с привязкой к вопросам безопасности, удобству, работоспособности. Начнем с проблемы.
Проверка соответствия. При использовании файлов с большим объемом важно удостовериться в подлинности хеша, который публикуют разработчики. Это касается функционала с открытым исходным кодом.
Безопасность и применение. При несовпадении значений хеша существует риск загрузки вредоносного программного обеспечения. В таком случае файл не удастся использовать по назначению. С повторной загрузкой проблему можно решить, но не всегда.
Удобство загрузки. С применением технологии Меркла удается распределить большой файл на части, а значит — и с загрузкой проблем не возникнет. С завершением процесса скачивания формируется единый хеш, и мы получаем искомый корень.
Более наглядный и доступный пример.
Представим большой файл объемом в 8 ГБ, который необходимо разделить на 8 равных частей. С использованием хеш-функции передаем каждый из элементов с обязательным присвоением идентификатора. В данном случае используется латинский алфавит от A до H.
После этого каждая из ячеек “прогоняется” через функцию, чтобы сформировать собственный хеш. С полученной информацией можно работать, но только в примитивном режиме, поскольку вручную проверять каждый из фрагментов нецелесообразно. Тем более при увеличении числа ячеек до нескольких тысяч.
Для эффективной проверки пригодится древовидная структура. Фактически, совмещение хешей по парам с постепенным уменьшением четных чисел с 8 до 2. В результате мы сформируем корневой хеш по технологии Меркла.
Сгенерированный хеш формирует некий “образ” файла. Результат можно сравнить с опубликованными данными от разработчика. Корень Меркла поможет убедиться в подлинности файла. При частичном изменении одной из “ветвей” результат будет фальшивым.
При получении ошибки в корневом хеше ее можно легко проверить, идентифицировать. Достаточно разделить корень Меркла на пары и найти значение, которое не совпадает. Далее продвигаемся с разделением нодов до момента, пока не удастся найти фальшивый хеш.
Технология поддерживает целостность файлов, гарантирует безопасность.
Proof-of-Reserve (PoR) и дерево Меркла
В этом разделе расскажем о востребованной схеме предоставления доказательств. Технология PoR взаимосвязана с деревом Меркла, точнее, использует наработки и преимущества паттерна.
Proof-of-Reserve используется как инструмент подтверждения сохранности активов. Технология верифицирует баланс клиента и прозрачность деятельности со стороны централизованной платформы.
Проблема: недостаток в уровне доверия привел к появлению разработки, как и определенные события в криптоиндустрии с 2022 года.
С целью устранить недостатки модели было принято воспользоваться деревом Меркла. Хеш-дерево подтверждает целостность информации, а значит — соответствие оригиналу. Первопроходцем в применении технологии стала централизованная платформа Binance. Вскоре агрегатор CoinMarketCap создает интерфейс, который проверяет наличие в бирже технологии Proof-of-Reserve.
Далее проблема доверия “развивалась так”:
- соучредитель Kraken Пауэлл высказался против таких методов проверки, поскольку заинтересованная сторона могла сфальсифицировать данные;
- позиция Джесси Пауэлла получила распространение, как и предложение о введении основной проверки через аудиторов;
- BingX, Binance перешли на улучшенную модель проверки;
- результатом стало использование как PoR, так и услуг независимых аудиторов.
Отметим: изъяны подхода вскоре получили фактические доказательства; например, Gate.io и Сrypto.com обвинили в создании фейкового дерева Меркла за счет взаимных переводов активов.
Свою лепту в критику разработки внес и Бутерин, соучредитель Ethereum. Позже публиковались не менее смелые заявления относительно проблемы зависимости бирж с нативными монетами.
Доказательство Меркла
Вырезкой или выдержкой из хеш-дерева называется доказательство Меркла. Верификатор получает промежуточные данные из структуры и может принять решение. Доказательство формируется из нескольких компонентов. К тому же файлы-верификации предоставляются проверяющий стороне в порядке роста.
Единственными компонентами доказательства являются родительские ноды и корневая.
Преимущества технологии Меркла — в бинарности. Поэтому с получением информации о правой и левой ноде можно сделать вывод о родительском фрагменте. Для проверки хеш-дерева достаточно убедиться в следующем: баланс соответствует разделению, а также в подлинном, действительном хеше.
Доказательство Меркла работает таким образом, чтобы как сохранять конфиденциальность структуры, так и предоставлять доступ к данным. К примеру, при использовании одного из массивов можно определить баланс юзеров и подтвердить его точность, достоверность.
Важно: конфиденциальность гарантируется правилом половины, а значит — для восстановления дерева нужно получить данные более половины всех массивов.
Практика
Дополнительно расскажем, как с использованием различных инструментов проверить действительность средств.
Подтверждение, продвинутый уровень. Исходный код под проверку биржи публикуют на github. Самостоятельное вычисление требует познаний в Java и функционале, версие системы. Исходный код создают с копированием данных на носителе и сохранением под именем, например, myProof.json.
Встроенные инструменты. Централизованные биржи предлагают функции проверки с использованием доказательства Меркла. Функционал содержит результаты проверки, индикатор успешности, данные относительно баланса в цифровых активах.
Как дерево Меркла применяется в блокчейне, и его влияние на криптоиндустрию
Достижения технологии Меркла успешно применяют топовыми биржами и разработчиками. Хеш-дерево реализуется также в майнинге Bitcoin, Ethereum. Ниже подробнее расскажем о каждом из случаев.
Ethereum
Экосистема Ethereum основана на усложненной концепции дерева Меркла. В цепочке “эфира” блок состоит из трех хеш-деревьев. К тому же корневые ноды каждой из структур отведены под определенные задачи.
С использованием доказательства Меркла юзер может определить баланс и состояние транзакции.
Это возможно, благодаря распределению фрагментов и существования нескольких деревьев. Каждая из структур выполняет такие функции: начальный — корень транзакции; второй — состояние транзакции; конечный — факт получения перевода.
Bitcoin
Технология Меркла практически формирует инфраструктуру Bitcoin. Обеспечивает процесс майнинга и подтверждения транзакций. Хеш-дерево используется в заголовке каждого блока экосистемы.
Верификация. При использовании устройства с недостаточной вычислительной мощностью, хешировать все транзакции блока не требуется. А значит, для подтверждения можно воспользоваться доказательством Меркла. SPV или “упрощенная проверка платежа” позволит проверить наличие транзакции в блоке без выделения значительных ресурсов компьютера.
Майнинг. Цифровой актив Bitcoin формируется из двух частей. Первая половина отведена под метаданные, а по размеру часто меньше основного раздела. Вторая часть используется для хранения сведений о транзакциях. Задача майнеров — хешировать данные, чтобы получить подходящий блок.
С использованием подхода Меркла получится сформировать необходимые транзакции в древовидной структуре. После этого вычислительное устройство обрабатывает только заголовок блока, в который уже помещен корневой хеш. Такой подход гарантирует защиту от вмешательства извне.
Hyperledger Fabric
В данном случае экосистема использует технологию Меркла, чтобы вычислить данные в виде хеша. После этого определяется ширина дерева. Подход к использованию структуры практически повторяет тот, который используется в Bitcoin.
Влияние на криптоиндустрию
Преимущества дерева Меркла позволили создать цепочку с защитой от подмена информации. В списке ниже рассмотрим функции, которые повлияли на индустрию цифровых активов:
- Целостность информации. Блоки с данными содержат не только историю изменений, но и сумму транзакций. Поэтому цепочки практически невозможно изменить.
- Проверка транзакций. В данном случае использование дерева Меркла повлияло на Bitcoin и другие экосистем и позволило ускорить проверку транзакций. Полезность функции проявляется в майнинге, поскольку процесс добычи ускоряется.
- Смарт-контракты. Технологию Меркла также используют в процессе проведения “умных” контрактов.
- Скорость выполнения. С появлением сайдчейн-сетей повышается скорость проведения транзакций. Это возможно и благодаря дополнительному сжатию данных.
- Упор на безопасность. Внедрение технологии повлияло на уровень безопасности. При изменении одного из блоков хеш-сумма меняется.
Далее, в виде достоинств, подробнее расскажем об этих факторах, тезисах.
Преимущества и недостатки дерева
Дерево Меркла повлияло на интенсивность развития экосистем различных токенов. Преимущества технологии связаны с эффективностью, скоростью, удобство и безопасностью.
Преимущества дерева Меркла
Вмешательство и санкции
Мы упоминали, как работает дерево Меркла в блокчейне относительно вопросов безопасности. Более подробно рассмотрим фактор вмешательства.
Идея: проверять факт вмешательства извне в транзакции.
Принцип: каждый блок получает фиксированный хэш-показатель посредством данных из корня Меркла; дополнительно фрагменты связаны между собой, поэтому при изменении данных это можно отследить.
Дополним о проблеме двойного расходования, которую решает технология. Это позволяет избегать случаев повторного использования криптовалюты. Транзакция в блокчейне автоматически отклоняется, если хэш совпадает с предыдущими.
Интеграция криптокошельков
Экосистема становится более доступной за счет использования лайт-нодов, а значит — криптокошельков. Юзеры с любых устройств могут проводить транзакции в блокчейне. Это обеспечивается технологией Меркла, которая фактически помогает экономить ресурсы устройства.
Проверка информации
Эффективность проверки данных с использованием дерева Меркла повышается. Это объясняется способом организации данных, который мы рассмотрели выше. Поэтому строгих требований к вычислительной мощности устройств нет.
Проблема и решение: несколько тысяч блоков и еще больше транзакций создают проблемы памяти и обработки; вместо построчного сравнения данных, используются преимущества технологии; решение проблемы предполагает сжатие данных, отделение нужных блоков со сведениями и доказательствами транзакций.
Прочее
К дополнительным преимуществам относят экономию места, поскольку хеш-структуры уменьшают размер блоков. Отмечается достоинство в виде удобного доступа к транзакциям путем индексации.
Недостатки дерева Меркла
Также рассмотрим слабые стороны разработки Меркла.
Изменение
Фактическая защита от изменения работает и в обратную сторону, поскольку ошибочную транзакцию откатить не получится.
Зависимость
Применить деревья Меркла труднее в уже работающую и сложную экосистему.
Отсутствие гарантий
В процессе поиска транзакций допускаются коллизии, когда юзер находит два идентичных значений.
Затраты
Получение хэша требует значительных ресурсов, к тому же при усложнении системы требования к вычислительной мощности изменяются.
Где еще используется дерево Меркла?
Технология Меркла — эффективный способ структурировать данные, но не единственный. Распространение получили и другие хеш-деревья, которые предназначены для хранения данных, создания систем индексации. Отдельные технологии адаптированы под сортировку информации. Результатом применения альтернативных технологий стало повышение быстродействия экосистемы.
Концепции организации данных по древовидной структуре.
- Цветовое распределение. Принято пользоваться красными и черными цветами, которые соответствуют листьям и корню соответственно; сформировать красные ноды можно, если ориентироваться на число фрагментов противоположного цвета.
- AVL-структура. Технологию разработали в 1968 году Адельсон-Вельский и Ландис; сбалансированное дерево, которое использует поиск информации в структуре; высота каждого из фрагментов ограничивается.
- B-дерево. Технология поддерживает ключи доступа, которые присваиваются каждому из фрагментов; дополнительно работает функция разделения данных по блокам; применяется в хеш-деревьях на жестких дисках и носителях других типов.
- Префиксная и суфиксная. Модели с ключами в виде строк; в технологии Меркла принято использовать префиксный вариант.
- Двоичное дерево. Привычный способ реализации информации с упором на двоичный паттерн; у каждого узла может быть не больше двух нод.
- Бинарное дерево поиска. Улучшенная разработка двоичного дерева, которая создает инструменты для поиска фрагментов; для навигации используют ключи.
Разработка криптографа Ральфа Меркла изменила индустрию цифровых активов. В экосистемах Bitcoin, Ethereum активно используются преимущества древовидной структуры. Обеспечивается экономия ресурсов, стойкость к изменениям, сниженные требования к вычислительной мощности устройств. Ожидаем увидеть усовершенствованную версию технологии на практике.
