ブロックチェーンではマークルツリーはどのように使用されていますか？

ブロックチェーンのコンテキストでのメルクルの木を理解する

ハッシュツリーとも呼ばれるマークルツリーは、ブロックチェーンテクノロジーで使用される基本的な暗号構造であり、データの整合性とトランザクションの検証効率を確保します。マークルツリーでは、すべてのリーフノードはトランザクションデータのハッシュであり、すべての非葉のノードは子供ノードのハッシュです。この階層構造により、大規模なデータセットの迅速かつ安全な検証が可能になります。 Merkle Rootとして知られるツリーの根は、ブロック内のすべてのトランザクションを表す単一のハッシュを提供します。単一のトランザクションの変更があれば、マークルルートが変更され、改ざんが簡単に検出できます。

BitcoinやEthereumなどのブロックチェーンネットワークは、Merkle Treesを使用して、ブロック内のすべてのトランザクションを要約します。この設計により、トランザクションの検証に必要な計算負担が軽減されます。すべてのトランザクションを個別に送信および検証する代わりに、ノードはブロックヘッダーに含まれるマークルルートを検証できます。 Merkle Rootのコンパクトな性質により、 SPV（単純化された支払い検証）ノードなどの軽量クライアントが、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インクルージョンを確認できます。

マークルツリーの構造と構造

マークルツリーの構造は、正確なハッシュプロセスに従います。

• ブロック内の各トランザクションは、暗号化ハッシュ関数、通常はBitcoinのSHA-256を使用してハッシュされます。
• これらの個々のトランザクションは、ツリーの葉のノードを形成します。
• 葉のノードのハッシュのペアが連結され、ハッシュされて親ノードを形成します。
• このペアリングとハッシュプロセスは、1つのハッシュが残るまで、マークルルートのみが残るまで再帰的に続きます。
• 任意のレベルに奇数のノードがある場合、最後のノードが複製されてペアを形成します。

たとえば、4つのトランザクション（T1、T2、T3、T4）：

• ハッシュ（T1）とハッシュ（T2）を組み合わせてハッシュしてH12を作成します。
• ハッシュ（T3）とハッシュ（T4）を組み合わせてハッシュしてH34を作成します。
• 次に、H12とH34を組み合わせてハッシュして、マークルルートを生成します。

この構造により、最終ルートがブロック内のすべてのトランザクションに暗号化的に依存することが保証されます。トランザクションのわずかな変更でさえ、ツリーの上に伝播してマークルルートを変更し、すぐに明らかになります。

ブロック検証におけるマークルツリーの役割

ブロック検証中、ノードはブロックヘッダーに保存されているマークルルートを使用してトランザクションの整合性を検証します。ブロックヘッダーは小さく（Bitcoin 80バイト）、送信と保存に効率的です。ノードが新しいブロックを受信すると、付属のトランザクションからマークルルートを再計算し、ヘッダーの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変更されていないと確認されます。

このメカニズムは、分散化されたコンセンサスにとって重要です。完全なノードはブロックを個別に検証できますが、軽量ノードはメルクルプルーフを使用して、特定のトランザクションがブロックに含まれているかどうかを確認します。マークルプルーフは、問題のトランザクションと提供されたハッシュのみを使用してノードがマークルルートを再計算できるようにするハッシュ（マークルパス）のサブセットで構成されています。これにより、完全なブロックデータへのアクセスを必要とせずに信頼できる検証が可能になります。

SPVウォレットにおけるマークルプルーフの効率

SPVウォレットは、効率的に機能するためにマークルツリーに大きく依存しています。これらのウォレットはブロックチェーン全体をダウンロードするのではなく、代わりに完全なノードに接続して、特定のトランザクションのマークルプルーフを要求します。プロセスには次のものが含まれます。

• 完全なノードからトランザクションのインクルージョン証明を要求するSPVクライアント。
• マークルパスを生成する完全なノード - マークルルートを再計算するために必要な兄弟ハッシュのリスト。
• SPVクライアントは、トランザクションハッシュと提供されたハッシュを正しい順序で組み合わせます。
• ルートを再計算し、ブロックヘッダーのルートと比較します。

この方法は、帯域幅とストレージの要件を大幅に削減します。 1,000トランザクションのブロックの場合、マークルパスでは約10個のハッシュ（log₂（1000））のみが必要であり、検証が高速で軽量化されます。このプロセスのセキュリティは、ハッシュ機能の不変性とブロックヘッダーのマークルルートの誠実さに依存します。

ブロックチェーン全体の実装の違い

コアの概念は一貫していますが、ブロックチェーンが異なると、バリエーションのあるメルクルツリーを実装しています。 Bitcoinは、 SHA-256ハッシュを備えたバイナリマークルツリーを使用します。トランザクションはペアでハッシュされ、ツリーはボトムアップから構築されます。ただし、イーサリアムは、トランザクションだけでなくアカウントの状態とストレージもサポートする、マークルパトリシアツリーと呼ばれるより複雑な構造を採用しています。これにより、Ethereumはアカウント残高とスマート契約データを効率的に検証できます。

いくつかの新しいブロックチェーンは、特に軽いクライアントプロトコルとタイムスタンプシステムで、動的データセットにMerkle Mountain Range（MMRS）を使用しています。 MMRは、ツリー全体を再構築することなく、新しいデータを効率的に挿入することで、サイドチェーンやステートレスクライアントに適しています。構造的な違いにもかかわらず、根本的な目標は同じままです。安全で効率的で検証可能なデータ表現です。

メルクルの木とデータ剪定

Merkleツリーは、ブロックチェーン剪定を可能にします。これは、ノードが古いトランザクションデータを削除して、新しいブロックを検証する能力を保持しながらスペースを節約する手法です。 Merkle Rootはすべてのトランザクションをカプセル化するため、剪定されたノードは、包含を確認した後、個々のトランザクションの詳細を破棄できます。必要に応じて、履歴データは、メルクルプルーフを使用して他のノードから取得できます。貯蔵効率と検証可能性のこのバランスは、スケーラビリティにとって非常に重要です。

プルーニングをサポートするノードは、ブロックヘッダーのみを維持し、 UTXO（アンペントトランザクション出力）セットのみを維持します。彼らは、UTXOセットがブロックチェーンの歴史と一致するように、マークルルートに依存しています。この設計により、すべての参加者にテラバイトのデータを保存することを強制せずにネットワークが成長し、より広いノードの分布と分散化を促進することができます。

よくある質問

マークルツリーは、どのトランザクションが変更されたかを検出できますか？マークルツリーは、異なるルートを生成することで変更が発生したことを確認しますが、変更されたトランザクションを直接識別しません。特定のトランザクションを見つけるには、ノードは個々のトランザクションのハッシュを比較するか、ブランチを再ハッシュしてツリー全体でバイナリ検索を使用する必要があります。

マークルルートはすべてのブロックに保存されていますか？はい、 Merkleルートはすべてのブロックのブロックヘッダーに含まれています。これは、ブロックの完全性を確保し、コンセンサスおよび検証プロセス中に使用される重要な分野の1つです。

ブロックに1つのトランザクションがある場合はどうなりますか？ブロックに1つのトランザクションのみが含まれている場合、そのトランザクションのハッシュはリーフノードになります。ペアがないため、ハッシュが複製されてペアが形成され、結果のハッシュがマークルルートになります。これにより、ツリー構造が一貫していることが保証されます。

すべてのノードはマークルルートを独立して計算しますか？はい、完全なノードは、ブロック内のトランザクションからマークルルートを個別に計算し、ブロックヘッダーのトランザと比較します。この独立した検証は、分散ネットワークの信頼とセキュリティを維持するために不可欠です。