O que é uma árvore Merkle no Blockchain e como ela funciona?

Principais tópicos:

• A Árvore Merkle é um tipo de árvore de hash binária que possui 3 tipos de nós: nós de folha, nós não-folha e nós raiz.
• Uma árvore Merkle é útil para a verificação e manutenção da integridade da transação em qualquer registro descentralizado.
• A árvore Merkle é vista no Bitcoin e também no Ethereum.

Introdução

Criptomoedas não são mais um assunto desconhecido, e nem blockchain, a tecnologia por trás de sua origem. Para qualquer entusiasta de criptografia, entender as estruturas de blockchain e como elas funcionam é o primeiro passo para perceber a verdadeira natureza das criptomoedas.

Embora a compreensão de diferentes estruturas de blockchain seja onde as árvores Merkle entram. Desenvolvido como um conceito em 1980 por Ralph Merkle da Universidade de Stanford, o Árvore Merkle é comumente usado em redes peer-to-peer (P2P) para lidar com os requisitos de poder de computação e espaço de memória. Não seria exagero dizer que as árvores Merkle tornaram a tecnologia blockchain um grande sucesso. Então, vamos mergulhar no significado por trás da árvore Merkle e como ela funciona.

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Uma visão geral da árvore Merkle

Simplificando, uma árvore Merkle representa a maneira como os dados são estruturados propositadamente. Ele permite a verificação rápida e eficiente de uma extensa quantidade de informações em um blockchain. Como mencionado anteriormente, Ralph Merkle, sem saber, o criou como um conceito em um artigo intitulado “A Certified Digital Signature”. Mas ninguém esperava que se tornasse um componente importante de um livro descentralizado no futuro.

A árvore Merkle melhorou o mundo da criptografia desde o seu início. Mas tornou-se vital para as criptomoedas depois que o misterioso criador do Bitcoin o utilizou no código fundamental do BTC. Depois disso, o Ethereum e outras criptomoedas também adotaram as árvores Merkle.

No caso da rede Bitcoin, as árvores Merkle são um componente eficiente que utiliza hashes em vez do arquivo de informações de grande porte para a verificação dos dados. Uma árvore Merkle emprega terminologia descritiva exclusiva para descrever as relações entre os nós e seus níveis.

Cada bloco único dentro do blockchain contém uma série de transações. Armazenar todas essas transações e descobrir quais transações específicas pertencem a qual bloco pode ser uma tarefa frustrantemente cara. Além disso, pode afetar negativamente a eficiência de um blockchain. No entanto, com as árvores Merkle, todas as transações são organizadas de forma eficiente, resultando no uso de menos dados para verificação e redução do processamento da CPU.

Entendendo como uma árvore Merkle funciona em um blockchain

Aqui está um exemplo simples para esclarecer esse conceito: 

Imagine um bloco de dados como o mostrado acima que possui 4 transações: L1, L2, L3 e L4. Para armazenar essas transações, podemos implementar o conceito de árvore Merkle calculando o hash de cada transação. Depois computação, recebemos Hash L1, Hash L2, Hash L3 e Hash L4.

Esses hashes de cada transação são armazenados em um nó, geralmente chamado de nó folha, da árvore Merkle. Mas nosso trabalho continua, pois devemos formar nós não-folha emparelhando os nós-folha. Após o cálculo, obtemos Hash 0 e Hash 1, que são chamados de nós pais ou nós não-folha dos hashes de L1, L2, L3 e L4.

Finalmente, o hash de Hash 1 e Hash 2 é calculado emparelhando-os e chegamos ao nó raiz, que é a raiz Merkle. Por meio deste exemplo, entendemos que as árvores Merkle funcionam fazendo hash de nós filhos repetidamente até que um único hash permaneça dentro da estrutura.

Dessa forma, a árvore Merkle informa exatamente se uma transação influenciou a árvore verificando apenas a raiz da árvore. Merkle root é armazenado no cabeçalho do bloco, tornando-o inviolável e aumentando a confiança e a integridade em um registro descentralizado. É importante observar que as árvores Merkle usam uma função de hash unidirecional e continuariam até que esse hash separasse a prova dos dados dos dados.

A necessidade de árvores Merkle para blockchain

Agora que discutimos o que é uma árvore Merkle e como ela funciona, a única coisa que resta a fazer é entender por que ela é importante para o blockchain. As muitas vantagens de uma árvore Merkle a tornam uma necessidade para a tecnologia blockchain e até mesmo para plataformas criptográficas. Alguns desses benefícios são:

Quando se trata de transferir, computar e percorrer dados, atrasos não são permitidos. É por isso que muitos blockchain utilizam uma árvore Merkle para manter a rede livre de qualquer tipo de atraso durante a transferência de dados. Ao reduzir a quantidade de memória necessária para provar a integridade e validade dos dados, as árvores Merkle se tornam uma parte essencial do blockchain.

Na blockchain do Bitcoin, que é um P2P distribuído, pode haver inconsistências ou mesmo adulterações de dados porque os mesmos dados existem em cada computador conectado à rede P2P. Nesse caso, a árvore Merkle facilita para os mineradores identificar qualquer tipo de inconsistência ou adulteração nas transações.

Sem o uso desse conceito, todos os dados precisarão ser transferidos por toda a rede, resultando em lentidão da rede, eficiência reduzida e gastos desnecessários. Tal cenário pode ser evitado com a ajuda das árvores Merkle, que permitem a verificação rápida dos dados com poder computacional e largura de banda práticos.

Considerações finais

As árvores Merkle parecem um conceito complicado, mas são um componente crucial da tecnologia blockchain e das criptomoedas. Sem a existência desse conceito, não haveria sistema confiável usado em Bitcoin, Ethereum e mineração.

FAQs:

Q1. As árvores Merkle foram projetadas para alcançar o quê?
A árvore Merkle foi projetada como um processo de verificação de dados para permitir que os computadores funcionem mais rapidamente.
Q2. Qual é a conexão entre a árvore Merkle e o Ethereum?
A árvore Merkle é um tipo de estrutura blockchain que está por trás não apenas do Ethereum, mas também do Bitcoin e do processo de mineração criptográfica. No entanto, o Ethereum usa uma versão modificada da árvore Merkle, comumente conhecida como a árvore Merkle Patricia.
Q3. Como implementar a árvore Merkle
Para implementar árvores Merkle, é preciso começar com árvores binárias, nas quais cada nó não-folha é o hash de dois nós filhos. Essas folhas podem conter os dados ou as hash dos dados.
Q4. Quais são alguns benefícios da árvore Merkle?
Sendo uma estrutura leve que aumenta a escalabilidade dentro do blockchain, a árvore Merkle pode se livrar de dados desnecessários e, assim, melhorar a eficiência. Tanto mineradores quanto usuários podem se beneficiar da árvore Merkle, pois ela verifica partes individuais de blocos, verifica transações usando hashes e também calcula hashes enquanto eles recebem transações.