درخت مرکل بلاک چین چیست؟

درخت مرکل بلاک چین چیست؟درخت هش به نام درخت مرکل نیز شناخته می شود. این درختی است که در آن هر گره برگ با مقدار هش یک بلوک داده و هر گره غیر برگ با مقدار هش برچسب گره های فرزند خود برچسب گذاری می شود.درخت مرکل که به نام مخترع آن، رالف مرکل نامگذاری شده است، یک ساختار داده بنیادی برای سازماندهی و ایمن سازی اطلاعات دیجیتال است.

این یک ساختار درختی است که در آن هر گره برگ نشان دهنده یک بلوک داده است و هر گره غیر برگ هش از گره های فرزند خود است. این ترتیب سلسله مراتبی یک اثر انگشت منحصر به فرد را برای کل مجموعه داده ایجاد می کند که یکپارچگی داده ها را تضمین می کند و تأیید کارآمد را تسهیل می کند.

درخت مرکل به عنوان درخت هش نیز شناخته می شود. این به عنوان یک ساختار داده بنیادی در دنیای رمزنگاری، بلاک چین و فضای وب 3 قرار دارد و نقش حیاتی تضمین یکپارچگی عناصر داده در مجموعه داده های گسترده را ایفا می کند. هدف اصلی آن حفظ یکپارچگی داده ها با اجرای توابع هش قوی است.

نکات کلیدی:

• Merkle Tree وسیله ای برای حفظ یکپارچگی و اعتبار داده ها فراهم می کند.
• Merkle Tree به صرفه جویی در حافظه یا فضای دیسک به عنوان اثبات، محاسباتی آسان و سریع کمک می کند.
• شواهد و مدیریت درخت مرکل به مقدار کمی از اطلاعات منتقل شده از طریق شبکه ها نیاز دارد.
• ریشه مرکل یک روش ریاضی ساده برای تأیید داده های درخت مرکل است.
• ریشه های مرکل در ارزهای دیجیتال استفاده می شود تا اطمینان حاصل شود که بلوک های داده ارسال شده بین شبکه همتا به همتا دست نخورده، خراب و بدون تغییر هستند.
• ریشه های Merkle برای محاسبات مورد نیاز برای حفظ ارزهای دیجیتال مانند بیت کوین و اتر ضروری هستند.

ریشه مرکل چیست؟

در بالای درخت Merkle، Merkle Root قرار دارد، یک هش واحد که کل مجموعه داده را نشان می‌دهد. این امر با هش کردن ترکیب گره های بالاترین سطح به دست می آید. اساساً، این یک روش ریاضی ساده است که برای احراز هویت داده‌ها در درخت مرکل در بلاک چین استفاده می‌شود.

ریشه Merkle در کریپتو استفاده می‌شود تا اطمینان حاصل شود که بلوک‌های داده اضافه‌شده به شبکه همتا به همتا کامل، آسیب‌نخورده و بدون تغییر هستند. هرگونه تغییر در داده‌های زیربنایی نیاز به تغییر در ریشه Merkle دارد و آن را به عنصری حیاتی در تضمین یکپارچگی بلاک چین یا عدم وجود آن تبدیل می‌کند.

درختان مرکل چگونه کار می کنند؟

در اینجا مکانیسم درخت مرکل به شرح زیر است:

• درختان مرکل از طریق یک فرآیند هش کردن مداوم ساخته می شوند که در آن جفت گره ها به طور مکرر هش می شوند. این روند تا زمانی ادامه می یابد که تنها یک هش باقی بماند که به نام ریشه هش یا ریشه مرکل شناخته می شود.
• در ابتدا، درخت مرکل تمام تراکنش‌های داخل یک بلوک را جمع می‌کند. سپس یک اثر انگشت دیجیتال مجزا برای کل مجموعه ایجاد می کند و راهی را برای کاربران فراهم می کند تا بررسی کنند که آیا تراکنش خاصی در بلوک گنجانده شده است یا خیر.
• بنابراین، هش تراکنش های فردی به عنوان پایه درخت مرکل عمل می کند. 
• هر گره غیربرگی در درخت مرکل، هش قبلی خود را هش می کند و به ساختار کلی کمک می کند. علاوه بر این، هر گره برگ در درخت Merkle داده های واقعی تراکنش را هش می کند.

درخت مرکل در بلاک چین چگونه مفید است؟ 

هنگامی که یک بلوک به بلاک چین اضافه می شود، تنها ریشه Merkle باید ذخیره شود، که به طور قابل توجهی نیاز به ذخیره سازی را کاهش می دهد. علاوه بر این، این ساختار داده با غیرممکن کردن تغییر داده‌های مربوط به تراکنش‌های گذشته، نقش مهمی در تضمین تغییر ناپذیری بلاک چین ایفا می‌کند. 

کاربردهای غیربلاکچینی درخت مرکل

از درخت مرکل، به غیر از بلاکچین در موارد دیگری هم استفاده می‌شود که می‌توانیم به نمونه‌های زیر اشاره کنیم:

• گیت (Git) یکی از رایج‌ترین سیستم‌های کنترل نسخه توزیع‌شده است که ردیابی تغییرات در مجموعه فایل‌های رایانه‌ای را امکان‌پذیر می‌کند. معمولا برنامه‌نویسانی که به‌طور مشترک روی توسعه کد منبع یک نر‌م‌افزار کار می‌کنند از گیت برای نظارت و مدیریت پروژه‌ها بهره می‌گیرند.
• سیستم فایل بین‌سیاره‌ای (IPFS) یک پروتکل توزیع‌شده همتا به همتا برای ذخیره، نگهداری و دسترسی به انواع داده (فایل، برنامه و وبسایت) است.
• دیتابیس‌های غیررابطه‌ای (No-SQL)، رویکردی برای مدیریت پایگاه داده است و طیف گسترده‌ای از مدل‌های داده را در قالب گراف، ستونی گسترده و سندی در خود جای می‌دهد. دیتابیس Amazon DynamoDB نمونه‌ای از این مدل است.
• سیستم شفافیت گواهینامه (Certificate Transparency log) یک ابزار متن باز برای نظارت و شناسایی گواهی‌نامه‌های شخصی و جعلی SSL است. از درخت مرکل در بخشی از این فرایند استفاده می‌شود.

درختان مرکل چگونه در بلاک چین استفاده می شوند؟

درختان مرکل داده های تراکنش را به طور موثر در بلاک چین ذخیره می کنند. هش ریشه متعهد شده است و اندازه بلاک چین را کاهش می دهد. اثبات Merkle داده ها را به طور موثر تأیید می کند. آنها فضا و از نظر محاسباتی کارآمد هستند و برای مقیاس پذیری و تمرکززدایی مناسب هستند.

موارد استفاده درختان مرکل؟

درختان مرکل عبارتند از:

• فضا و کارآمد محاسباتی
• خوب برای مقیاس پذیری وعدم تمرکز
• نیازی به بسته بندی یک بلوک پر از تراکنش نیست… فقط یک هش ریشه مرکل را به آن متعهد کنید و تراکنش ها را در مکان های دیگری نگه دارید که می توانند آنها را مدیریت کنند.

به عبارت عمیق تر، آنها:

1. آنها به طور قابل توجهی حافظه مورد نیاز برای تأیید اینکه داده ها یکپارچگی خود را حفظ کرده اند و تغییر نکرده اند را کاهش می دهند.
2. آنها به داده های کمتری برای پخش در شبکه بلاک چین برای تأیید داده ها و تراکنش ها نیاز دارند. این کار باعث بهبود کارایی یک بلاک چین می شود.
3. اجازه می دهندتأیید پرداخت ساده (SPV)، که به شما کمک می کند تا یک تراکنش را بدون دانلود کل بلوک یا بلاک چین تأیید کنید. این به شما امکان می دهد با استفاده از یک گره light-client تراکنش ها را ارسال و دریافت کنید – که بیشتر به عنوان کیف پول رمزنگاری شناخته می شود .

هنگام تأیید داده ها با استفاده از درخت Merkle، یک Prover و یک تأیید کننده وجود دارد :

• یک Prover : همه محاسبات را برای ایجاد ریشه merkle انجام می دهد (فقط یک هش!)
• A Verifier : برای دانستن اینکه یک مقدار مشخص در درخت وجود دارد، نیازی به دانستن همه مقادیر نیست.

درختان مرکل یک مزیت بزرگ برای Verifier هستند. شما یا یک اثبات را با موفقیت تولید می کنید، به این معنی که تأیید داده ها می گذرد، یا نمی کنید، به این معنی که قطعه داده شما هنگام محاسبه هش ریشه Merkle وجود نداشت (یا محاسبه را اشتباه انجام دادید!).

مزایای درخت مرکل در بلاک چین 

حالا بیایید به مزایای Merkle Tree در بلاک چین نگاه کنیم:

• یکی از مزایای مهم Merkle Tree در بلاک چین، توانایی آن در متراکم کردن مقادیر زیادی از داده ها در یک ریشه Merkle است.
• درختان مرکل در بلاک چین فرآیند تأیید داده ها را با فعال کردن گره ها در شبکه بلاک چین برای تأیید تراکنش های فردی بدون نیاز به دانلود و تأیید کل زنجیره بلوک ساده می کنند.
• ایمن سازی شفافیت و قابلیت ردیابی از مزایای قابل توجه درختان مرکل در بلاک چین است. این امر دید کلی داده ها را در شبکه افزایش می دهد و اعتماد و مسئولیت پذیری را تقویت می کند.
• درختان مرکل با به حداقل رساندن داده های منتقل شده بین گره ها، نقش مهمی در کاهش پهنای باند مورد نیاز دارند.

موارد استفاده از درخت مرکل بلاک چین چیست؟ 

در اینجا چند مورد استفاده از درخت مرکل در بلاک چین آورده شده است:

• آمازون DynamoDB و آپاچی کاساندرا از درخت Merkle در طول فرآیند تکثیر داده ها استفاده می کنند. این پایگاه های داده توزیع شده از درختان مرکل برای کنترل اختلافات استفاده می کنند.
• یکی از سیستم های کنترل نسخه توزیع شده پرکاربرد، Git، از آن برای مدیریت پروژه های برنامه نویسان سراسر جهان استفاده می کند.
• درختان مرکل به طور موثر در پروتکل های ذخیره سازی همتا به همتا مبتنی بر بلاک چین مانند سیستم فایل بین سیاره ای (IPFS) استفاده می شوند. IPFS به عنوان یک فایل سیستم منبع باز و غیرمتمرکز، از درختان Merkle استفاده می کند تا رایانه ها را قادر سازد فایل ها را در یک شبکه توزیع شده ذخیره و به اشتراک بگذارند. این رویکرد تغییر قابل توجهی را از ذخیره سازی متمرکز فایل معمولی نشان می دهد و کارایی و امنیت را در مدیریت داده ها افزایش می دهد.

چرا درختان مرکل برای بلاک چین مهم هستند؟

• در یک شبکه متمرکز، می توان از یک نسخه به داده ها دسترسی داشت. این بدان معنی است که گره ها مجبور نیستند مسئولیت ذخیره کپی های خود را از داده ها بر عهده بگیرند و داده ها می توانند به سرعت بازیابی شوند.
• با این حال، وضعیت در یک سیستم توزیع شده چندان ساده نیست.
• اجازه دهید سناریویی را در نظر بگیریم که در آن بلاک چین درخت مرکل ندارد. در این حالت، هر گره در شبکه باید یک رکورد از هر تراکنش انجام شده را نگه دارد زیرا هیچ کپی مرکزی از اطلاعات وجود ندارد.
• این بدان معناست که حجم عظیمی از اطلاعات باید در هر گره ذخیره شود و هر گره کپی مخصوص به خود را از دفتر خواهد داشت. اگر یک گره بخواهد تراکنش گذشته را تأیید کند، درخواست‌ها باید به همه گره‌ها ارسال شوند و کپی آن‌ها از دفتر کل را درخواست کنند. سپس کاربر باید کپی خود را با کپی های بدست آمده از چندین گره مقایسه کند.
• هر گونه عدم تطابق می تواند امنیت بلاک چین را به خطر بیندازد. علاوه بر این، چنین درخواست‌هایی برای تأیید نیاز به حجم عظیمی از داده‌ها برای ارسال از طریق شبکه دارند و رایانه‌ای که این تأیید را انجام می‌دهد به قدرت پردازش زیادی برای مقایسه نسخه‌های مختلف دفتر کل نیاز خواهد داشت.
• بدون درخت Merkle، خود داده ها باید برای تأیید در سراسر شبکه منتقل شوند.
• درختان مرکل امکان مقایسه و تأیید تراکنش ها را با قدرت محاسباتی و پهنای باند قابل اجرا فراهم می کنند. فقط مقدار کمی از اطلاعات باید ارسال شود، بنابراین حجم عظیمی از داده‌های دفتر کل که قبلاً باید مبادله می‌شد جبران شود.

چرا درختان مرکل برای بلاک چین ضروری هستند؟

برای درک اینکه درختان مرکل چقدر برای فناوری بلاک چین اهمیت دارند، بلاک چین را بدون آنها تصور کنید. ما عمدتاً بیت کوین را پوشش خواهیم داد زیرا استفاده از Merkle Trees برای ارزهای دیجیتال اساسی است و درک آن آسان است. به عنوان مثال، اگر بیت کوین درختان مرکل را نداشت، هر گره در شبکه باید یک نسخه کامل از هر تراکنشی که تا به حال روی بیت کوین اتفاق افتاده است را حفظ کند.

هر درخواست احراز هویت در بیت کوین به  بسته گسترده ای از داده ها  برای ارسال از طریق شبکه نیاز دارد، بنابراین برای تأیید داده ها باید خودتان آن را داشته باشید. رایانه مورد استفاده برای تأیید باید از قدرت پردازش زیادی برای مقایسه دفتر کل استفاده کند تا اطمینان حاصل شود که هیچ تغییری ایجاد نشده است.

درختان مرکل می توانند به طور موثر این مشکل را حل کنند. آنها رکوردها را در دفتر کل هش می کنند و به طور موثر شواهد داده ها را از خود داده ها جدا می کنند. اثبات اعتبار یک تراکنش فقط شامل ارائه مقدار کمی اطلاعات به شبکه است. علاوه بر این، به شما امکان می دهد نشان دهید که هر دو نوع دفتر کل برای مقدار عنوانی قدرت محاسباتی و پهنای باند شبکه یکسان هستند.

اهمیت

درختان مرکل حیاتی هستند زیرا به اثبات مرکل اجازه می دهند. اینها به ما اجازه می‌دهند تا به سرعت بررسی کنیم که آیا یک ورودی در یک مجموعه داده خاص گنجانده شده است و به چه ترتیبی. درختان مرکل نیز موثر هستند زیرا به ما اجازه می‌دهند مجموعه‌های داده بزرگ را با حذف همه شاخه‌های غیرضروری فشرده کنیم و در عین حال تنها شاخه‌هایی را که نیاز به اثبات داریم حفظ کنیم. در دنیای بلاک چین، این بدان معنی است که Merkle Trees ویژگی های حیاتی زیر را ارائه می دهد:

• توانایی تأیید اینکه یک تراکنش در یک بلوک گنجانده شده است
• مشتریان روشن
• کارایی و مقیاس پذیری کامل
• تأیید پرداخت ساده

توابع و نمونه های درخت هش مرکل؟

تابع درخت هش Merkle یک فرآیند رمزنگاری است که هر نوع داده دلخواه را، صرف نظر از طول آن، به یک خروجی با اندازه ثابت تبدیل می‌کند. درخت هش مرکل به دلیل کارایی آن در رمزنگاری مشهور است. تابع هش Merkle دارای یک ویژگی متمایز است – برگشت ناپذیری. این یک روش رمزنگاری یک طرفه است که برای عملکرد در یک جهت منفرد طراحی شده است. خانواده های هش قابل توجهی مانند SHA-2 و SHA-3.

اهمیت درخت مرکل در بلاک چین چیست؟

درخت مرکل در بلاک چین به روش های زیر مفید است: 

• اجتناب از اضافه بار اطلاعات: درخت Merkle در بلاک چین ضروری است، زیرا نیازی به هر گره برای ذخیره کل تاریخچه همه تراکنش ها را از بین می برد. با توجه به حجم بسیار زیاد داده ای که این امر مستلزم آن است، درخت Merkle به طور موثر اطلاعات تراکنش را سازماندهی و متراکم می کند و به گره ها اجازه می دهد تا تراکنش ها را به طور انتخابی و بدون نیاز به ذخیره سازی زیاد تأیید کنند.
• چالش های انتقال داده: درخت Merkle در بلاک چین چالش های انتقال داده را با ارائه روشی کارآمد برای تأیید تراکنش ها کاهش می دهد. درخت مرکل به جای انتقال کل تاریخچه تراکنش، داده های تراکنش را در یک ساختار سلسله مراتبی سازماندهی می کند. هر گره فقط نیاز به انتقال و تأیید زیرمجموعه کوچکی از داده ها دارد که به میزان قابل توجهی میزان اطلاعات مبادله شده در طول درخواست های احراز هویت را کاهش می دهد. 
• اعتبارسنجی فشرده داده ها: اعتبارسنجی تراکنش ها بدون درختان مرکل به قدرت محاسباتی قابل توجهی نیاز دارد. هر تراکنش مستلزم مقایسه دقیق دفاتر است که فرآیند اعتبارسنجی را به منابع فشرده تبدیل می کند.

نتیجه گیری

در نتیجه، درخت مرکل یک عنصر اساسی است که یکپارچگی و امنیت فناوری بلاک چین را پشتیبانی می کند. ساختار سلسله مراتبی، هش رمزنگاری و توانایی متراکم کردن داده ها در یک ریشه واحد و قابل تأیید برای حفظ تغییرناپذیری و کارایی دفتر کل توزیع شده ضروری است. 

همانطور که بلاک چین به تکامل خود ادامه می‌دهد و کاربردهایی در صنایع مختلف پیدا می‌کند، درخت مرکل به عنوان گواهی بر نوآوری و استحکام مورد نیاز برای ایمن‌سازی و ساده‌سازی تراکنش‌های دیجیتال است.

سوالات متداول (سؤالات متداول)

1. اهمیت ریشه مرکل چیست؟

ریشه Merkle از اهمیت ویژه ای در بلاک چین برخوردار است و به عنوان نمایشی فشرده از کل مجموعه داده عمل می کند. این یکپارچگی داده ها را تضمین می کند و هر گونه دستکاری را قابل تشخیص می کند. ریشه Merkle برای تأیید صحت اطلاعات ذخیره شده در بلوک ها، افزایش امنیت و قابل اعتماد بودن سیستم های بلاک چین بسیار مهم است.

2. درخت مرکل از چه اجزایی تشکیل شده است؟

اجزای یک درخت Merkle شامل گره های برگ، نشان دهنده بلوک های داده منفرد، گره های غیر برگ، نشان دهنده جفت های هش شده از گره های فرزند، و ریشه Merkle، یک هش منفرد است که کل مجموعه داده را خلاصه می کند.