Comment les arbres Merkle sont-ils utilisés dans la blockchain?

Comprendre les arbres Merkle dans le contexte de la blockchain

Un arbre Merkle , également connu sous le nom d'un arbre de hachage , est une structure cryptographique fondamentale utilisée dans la technologie blockchain pour assurer l'intégrité des données et l'efficacité dans la vérification des transactions. Dans un arbre Merkle, chaque nœud feuille est un hachage de données de transaction, et chaque nœud non-feuille est un hachage de ses nœuds enfants. Cette structure hiérarchique permet une vérification rapide et sécurisée de grands ensembles de données. La racine de l'arbre, connu sous le nom de Root Merkle , fournit un seul hachage qui représente toutes les transactions dans un bloc. Tout changement dans une seule transaction modifierait la racine Merkle, ce qui rend la falsification facilement détectable.

Les réseaux de blockchain comme Bitcoin et Ethereum utilisent des arbres Merkle pour résumer toutes les transactions dans un bloc. Cette conception réduit le fardeau de calcul requis pour valider les transactions. Au lieu de transmettre et de vérifier chaque transaction individuellement, les nœuds peuvent vérifier la racine Merkle incluse dans l'en-tête de bloc. La nature compacte de la racine Merkle permet aux clients légers, tels que les nœuds SPV (vérification de paiement simplifiés) , pour confirmer l'inclusion des transactions sans télécharger l'intégralité de la blockchain.

Structure et construction d'un arbre merkle

La construction d'un arbre Merkle suit un processus de hachage précis:

• Chaque transaction dans un bloc est haché à l'aide d'une fonction de hachage cryptographique, généralement SHA-256 dans Bitcoin.
• Ces hachages de transaction individuels forment les nœuds de feuilles de l'arbre.
• Les paires de hachages de nœuds foliaires sont concaténées et hachées ensemble pour former des nœuds parents.
• Ce processus d'appariement et de hachage se poursuit récursivement jusqu'à ce qu'un seul hachage reste - la racine Merkle .
• S'il y a un nombre impair de nœuds à n'importe quel niveau, le dernier nœud est dupliqué pour former une paire.

Par exemple, avec quatre transactions (T1, T2, T3, T4):

• Hash (T1) et Hash (T2) sont combinés et hachés pour créer H12.
• Hash (T3) et Hash (T4) sont combinés et hachés pour créer H34.
• H12 et H34 sont ensuite combinés et hachés pour produire la racine Merkle .

Cette structure garantit que la racine finale dépend cryptographiquement de chaque transaction du bloc. Même une modification mineure d'une transaction propagerait l'arbre et changerait la racine de Merkle, ce qui la rend immédiatement évidente.

Rôle des arbres Merkle dans la validation des blocs

Pendant la validation du bloc, les nœuds vérifient l' intégrité des transactions à l'aide de la racine Merkle stockée dans l'en-tête de bloc. L'en-tête de bloc est petit (80 octets dans Bitcoin), ce qui le rend efficace pour transmettre et stocker. Lorsqu'un nœud reçoit un nouveau bloc, il recalcule la racine Merkle des transactions incluses et la compare à la racine Merkle dans l'en-tête. S'ils correspondent, les transactions sont confirmées comme inchangées.

Ce mécanisme est essentiel pour un consensus décentralisé . Les nœuds complets peuvent valider les blocs indépendamment, tandis que les nœuds légers utilisent des preuves Merkle pour vérifier si une transaction spécifique est incluse dans un bloc. Une preuve Merkle se compose d'un sous-ensemble de hachages (un chemin Merkle ) qui permet à un nœud de recomputer la racine Merkle en utilisant uniquement la transaction en question et les hachages fournis. Cela permet une vérification sans confiance sans avoir besoin d'accès aux données complètes du bloc.

Efficacité des épreuves Merkle dans les portefeuilles SPV

Les portefeuilles SPV s'appuient fortement sur les arbres Merkle pour fonctionner efficacement. Ces portefeuilles ne téléchargent pas l'intégralité de la blockchain mais se connectent plutôt aux nœuds complets pour demander des preuves Merkle pour des transactions spécifiques. Le processus implique:

• Le client SPV demandant la preuve d'inclusion d'une transaction à partir d'un nœud complet.
• Le nœud complet générant le chemin Merkle - une liste de hachages de frères et sœurs nécessaires pour recomputer la racine Merkle.
• Le client SPV combinant le hachage de transaction avec les hachages fournis dans le bon ordre.
• Recomputer la racine et la comparer à celle de l'en-tête de bloc.

Cette méthode réduit considérablement la bande passante et les exigences de stockage. Pour un bloc avec 1 000 transactions, seulement environ 10 hachages (log₂ (1000)) sont nécessaires dans le chemin Merkle, ce qui rend la vérification rapide et légère. La sécurité de ce processus dépend de l'immuabilité des fonctions de hachage et de l'honnêteté de la racine Merkle de l'en-tête de bloc.

Différences de mise en œuvre entre les blockchains

Bien que le concept de base reste cohérent, différentes blockchains implémentent les arbres Merkle avec des variations. Bitcoin utilise un arbre Merkle binaire avec hachage SHA-256. Les transactions sont hachées par paires et l'arbre est construit à partir de bas en haut. Ethereum , cependant, utilise une structure plus complexe appelée arbre Merkle Patricia , qui prend en charge non seulement les transactions mais aussi les états de compte et le stockage. Cela permet à Ethereum de vérifier efficacement les soldes des comptes et les données de contrat intelligentes.

Certaines blockchains plus récentes utilisent des chaînes de montagne Merkle (MMR) pour les ensembles de données dynamiques, en particulier dans les protocoles clients légers et les systèmes d'horodatage . Les MMR permettent une insertion efficace de nouvelles données sans reconstruire l'ensemble de l'arbre, ce qui les rend adaptés aux effectifs et aux clients apatrides. Malgré les différences structurelles, l'objectif sous-jacent reste le même: représentation de données sécurisée, efficace et vérifiable .

Arbres Merkle et élagage des données

Les arbres Merkle permettent l'élagage de la blockchain , une technique où les nœuds suppriment les anciennes données de transaction pour économiser de l'espace tout en conservant la possibilité de valider de nouveaux blocs. Étant donné que la racine Merkle résume toutes les transactions, un nœud élagué peut éliminer les détails de la transaction individuelle après avoir confirmé leur inclusion. En cas de besoin, les données historiques peuvent être récupérées à partir d'autres nœuds à l'aide des preuves Merkle. Cet équilibre entre l'efficacité du stockage et la vérifiabilité est crucial pour l'évolutivité.

Les nœuds qui prennent en charge l'élagage ne conservent que les en-têtes de bloc et le jeu UTXO (sortie de transaction non dépensé) . Ils comptent sur la racine de Merkle pour s'assurer que le jeu UTXO s'aligne sur l'histoire de la blockchain. Cette conception permet au réseau de se développer sans forcer chaque participant à stocker des téraoctets de données, favorisant une distribution et une décentralisation de nœuds plus larges.

Questions fréquemment posées

Un arbre Merkle peut-il détecter quelle transaction a-t-elle été modifiée? Bien qu'un arbre Merkle confirme qu'un changement s'est produit en produisant une racine différente, elle n'identifie pas directement la transaction modifiée. Pour localiser la transaction spécifique, un nœud doit comparer les hachages de transaction individuels ou utiliser la recherche binaire à travers l'arbre en remaniant les succursales.

La racine Merkle est-elle stockée dans chaque bloc? Oui, la racine Merkle est incluse dans l' en-tête de bloc de chaque bloc. Il s'agit de l'un des champs clés qui assurent l'intégrité du bloc et sont utilisés pendant les processus de consensus et de validation.

Que se passe-t-il s'il n'y a qu'une seule transaction dans un bloc? Si un bloc ne contient qu'une seule transaction, le hachage de cette transaction devient le nœud feuille. Puisqu'il n'y a pas de paires, le hachage est dupliqué pour former une paire, et le hachage résultant de la paire devient la racine Merkle. Cela garantit que la structure des arbres reste cohérente.

Tous les nœuds calculent-ils la racine Merkle indépendamment? Oui, les nœuds complets calculent indépendamment la racine Merkle à partir des transactions dans un bloc et comparez-la à celle de l'en-tête de bloc. Cette vérification indépendante est essentielle pour maintenir la confiance et la sécurité dans le réseau décentralisé.