マークルツリーのグラフィック説明！マークルツリーの用途は何ですか？

BitcoinやEthereumなどのブロックチェーン技術で重要なマークルツリーは、大きなデータセットを単一のルートハッシュに要約することにより、データの整合性を効率的に検証します。

2025/05/31 02:29

マークルツリーの紹介

ハッシュツリーとも呼ばれるマークルツリーは、特にブロックチェーンテクノロジー内の暗号通貨の世界における基本的なデータ構造です。大規模なデータセットの整合性を効率的かつ安全に検証するために使用されます。このコンセプトは、1979年にラルフマークルによって最初に導入され、その後、Bitcoinやその他のブロックチェーンネットワークなど、多くの暗号化システムの基礎となりました。 Merkle Treeの主な機能は、効率的かつ安全な方法で大量のデータの内容を要約および検証することです。

マークルツリーの構造

マークルツリーの構造は階層的であり、バイナリツリーに似ています。葉のノードとして知られるツリーの下部には、個々のデータがあります。通常、ブロックチェーンのコンテキストでのトランザクションのハッシュ値です。これらの葉のノードは、親ノードとして知られるツリーの次のレベルを形成するためにペアになってハッシュします。このプロセスは、ツリーの上部に到達するまで続き、ルートハッシュまたはマークルルートとして知られる単一のハッシュ値で頂点に達します。

ここに、マークルツリーがどのように構築されるかの段階的なイラストがあります。

• リーフノードから始めます。各リーフノードには、ブロックチェーン内のトランザクションなどのデータブロックのハッシュが含まれています。
• ペアとハッシュリーフノード：隣接する葉のノードがペアになり、ハッシュが連結され、再びハッシュされて親ノードを形成します。
• ペアリングとハッシュを続行します。このプロセスは、結果の親ノードに対して繰り返され、1つのノードのみが最上部に残っている場合は、マークルルートです。

マークルツリーがどのように機能するか

Merkle Treeは、特定のデータがより大きなセットの一部であるかどうかを効率的かつ安全に検証できるようにすることで機能します。ブロックチェーンのコンテキストでは、これは、ブロック全体をダウンロードする必要なく、特定のトランザクションがブロックに含まれていることを確認できることを意味します。これは、葉のノードからツリーのルートまでのパスであるマークルプルーフを使用することで達成されます。

たとえば、ブロック内のトランザクションを確認するには、次のようになります。

• トランザクションのハッシュを取得します。これは問題のリーフノードです。
• マークルプルーフを収集する：これには、葉のノードからルートまでのパスに沿った兄弟ノードが含まれます。
• ルートへのパスを再構築します。トランザクションのハッシュを兄弟でハッシュし、次の兄弟のハッシュで結果をハッシュするなど、ルートに到達するまで。
• 最終的なハッシュをマークルルートと比較します。それらが一致する場合、トランザクションはブロックの一部であることが確認されます。

暗号通貨のマークルツリーの使用

マークルツリーは、いくつかの重要な機能について、暗号通貨で広く使用されています。

• ブロックチェーンの整合性：Bitcoinおよびその他のブロックチェーンでは、各ブロックにはそのブロックに含まれるすべてのトランザクションのハッシュであるマークルルートが含まれています。これにより、ネットワーク上のノードは、ブロックのヘッダーに対してマークルルートをチェックすることにより、ブロックチェーンの整合性を効率的に検証できます。

• 軽量クライアント：Light Clientsとも呼ばれる簡素化された支払い確認（SPV）クライアントは、Merkle Proofsを使用して、ブロックチェーン全体をダウンロードせずにトランザクションを検証します。これにより、ストレージと帯域幅が限られているデバイスがネットワークに参加できるようになります。

• データプルーニング：マークルツリーは、ブロックの整合性を検証するためにメルクルルートのみを保持する必要があるため、古いトランザクションデータの剪定を可能にします。これは、ブロックチェーンのサイズを管理するのに役立ちます。

• 効率的なデータ同期：分散システムでは、メルクルツリーを使用して、ノード間のデータを効率的に同期させることができます。 Merkle Rootsを比較することにより、ノードは変更されたデータの部分のみを迅速に識別して要求できます。

Bitcoinのマークルツリー

Bitcoinネットワークでは、マークルツリーは各ブロックの構造に重要な役割を果たします。 Bitcoinブロックチェーンのすべてのブロックにはトランザクションのリストが含まれており、これらのトランザクションのマークルルートがブロックヘッダーに含まれています。これにより、トランザクションの迅速かつ効率的な検証が可能になります。

Bitcoinブロックでマークルツリーがどのように使用されるかは次のとおりです。

• トランザクションハッシュ：ブロック内の各トランザクションは、メルクルツリーにリーフノードを作成するためにハッシュされています。
• マークルツリーの構築：次に、これらのハッシュがペアになり、ハッシュされてマークルツリーを構築し、マークルルートで頂点に達します。
• ブロックヘッダー包含：マークルルートはブロックヘッダーに含まれており、ブロックハッシュを作成するためにハッシュされます。
• 検証：ネットワーク上のノードは、メルクルルートを使用して、ブロック全体をダウンロードする必要なく、ブロックにトランザクションを含めることを検証できます。

イーサリアムのマークルツリー

EthereumはMerkleの木も利用していますが、州の木、トランザクションツリー、領収書の木を使用しているため、より複雑な方法で使用しています。 Ethereumの各ブロックには、3つのマークルルーツが含まれています。

• 状態ルート：すべてのアカウントの状態とブロックの最後のバランスを表します。
• トランザクションルート：ブロックに含まれるすべてのトランザクションを表します。
• 領収書ルート：ブロック内のすべてのトランザクションの結果を表します。

これらのマークルツリーにより、イーサリウムノードは、ネットワークの状態とスマートコントラクトの実行を効率的に検証できます。 Ethereumの構造でMerkle Treesを使用すると、ネットワークは高いレベルの完全性と効率を維持できます。

他の暗号通貨のマークルツリー

Bitcoinおよびイーサリアムを超えて、メルクルの木は、他のさまざまな暗号通貨やブロックチェーンシステムで使用されています。例えば：

• LitecoinはBitcoinと同様の構造を使用し、トランザクションの検証のためにマークルツリーを使用します。
• Zcashは、ゼロ知識証明システムでマークルツリーを採用して、トランザクションの完全性を維持しながらプライバシーを確​​保しています。
• Stellarは、Merkle Treesを使用して、分散型台帳の状態を確認します。

これらの実装のそれぞれは、それぞれのネットワークの機能と整合性を高めるために、マークルツリーの効率とセキュリティを活用しています。

よくある質問

Q：メルクルの木を使用して、非ブロックチェーンアプリケーションのデータの整合性を検証できますか？

A：はい、マークルツリーは、データの整合性を効率的に検証する必要があるアプリケーションで使用できます。たとえば、これらはピアツーピアファイル共有システムで使用され、ダウンロードされたファイルの整合性を確認します。

Q：マークルツリーのサイズはパフォーマンスにどのような影響を与えますか？

A：マークルツリーのサイズは、パフォーマンスに影響を与える可能性があります。より大きなツリーは、より多くの計算リソースを構築して検証する必要がありますが、データのより詳細な検証も可能にします。サイズとパフォーマンスのトレードオフは、特定のユースケースに応じて慎重に管理する必要があります。

Q：マークルツリーに既知の脆弱性はありますか？

A：メルクルの木は安全であると考えられていますが、脆弱性に免疫がありません。たとえば、使用されるハッシュ関数が弱い場合、衝突攻撃の影響を受けやすい可能性があります。ただし、SHA-256のような暗号化的に安全なハッシュ関数を使用すると、これらのリスクが軽減されます。

Q：マークルツリーは、奇数の葉のノードをどのように処理しますか？

A：葉のノードの奇数がある場合、最後のノードは通常、ペアを形成するために複製されます。これにより、ツリーがバランスを保ち、効率的に構築および検証できることが保証されます。