درخت مرکل (Merkle Tree) و فناوری بلاکچین
درخت مرکل ابزاری مهم در دنیای اطلاعات دیجیتال است که برای حصول اطمینان از یکپارچگی و امنیت دادهها در کاربردهای مختلف به کار میرود. این ابزار بهویژه امنیت تراکنشهای بلاکچین (Blockchain) را تا حد زیادی ارتقا داده است. جالب است بدانید که عنوان آن را به افتخار ابداعکنندهاش رالف مرکل در سال 1979 تعیین کردهاند. بنابراین، این فناوری را باید ابزاری کارآمد برای اعتبارسنجی سازگاری و تضمین عدم دستکاری دادههای مهم بدانیم. حال که تا حدودی به اهمیت Merkle Tree در تراکنشهای دیجیتال پی بردید، بهتر است جزئیات جالبش را در ادامه این مطلب ویفاکس کالج پی بگیرید!
درخت مرکل دقیقاً چیست؟
درخت مرکل یا درخت هش (Hash Tree) عبارت است از ساختاری برای ارتقای ایمنی و تسهیل صحتسنجی دادهها. چنین ساختاری نودها (Nodes) یا گرههایی دارد که هر کدام هش بلوکی از دادهها هستند. این درخت از پایین به بالا ساخته میشود و آغازش از تکههای دادهای (برگها) است. برگها در ادامه هش میشوند و بهصورت جفت در میآیند تا یک هش معروف به ریشه یا ریشه مرکل در بالا تولید شود. لذا هش شدن هر تراکنش بلاکچین بهصورت یکتا به کمک یک تابع هش انجام میشود و تراکنشهای هش شده جفتی با یکدیگر هش میشوند. این فرآیند تا بدست آمدن تنها یک مقدار هش برای هر بلوک ادامه مییابد.
نگاهی به مفهوم هش
هش عبارت است از رشتهای یکتا (یونیک) و با اندازه ثابت از کاراکترها که به کمک تابعی ریاضی به نام تابع هش، از دادههای مختلف تولید میشود. هدف اصلی هش تأیید شدن یکپارچگی دادهها است. وقتی دادهها از طریق یک تابع هش ارسال میشوند، این تابع یک مقدار هش (یا کد هش) تولید میکند که مانند اثر انگشت دیجیتال برای دادههای اصلی است. هشها را بهطور فراگیری در کاربردهای مختلف مانند تأیید صحت دادهها، امضای دیجیتال و ذخیره کردن رمز عبور به کار میبرند.
اجزای اصلی Merkle Tree کدامند؟
با توجه به تعریف بالا، اجزای اصلی این ساختار عبارتند از:
- گره برگ: پایینترین سطح درخت و حاوی هشهای بلوکهای واقعی داده هستند.
- گره غیربرگ (Non-Leaf Nodes): این گرهها حاوی هش گرههای فرزند هستند و بهعنوان واسطه در درخت عمل میکنند.
- ریشه درخت مرکل (Merkle Root): بالاترین گره درخت که هش ترکیبی همه دادههای زیرین را دارد. ریشه برای تأیید شدن کل مجموعه داده ضروری است.
درخت مرکل چگونه عمل میکند؟
در زیر میتوانید فرآیند گام به گام ساخت درخت را مرور کنید.
- درهمسازی دادهها: هر قطعه داده (مانند تراکنش یک بلاکچین) بهصورت جداگانه برای ایجاد گرههای برگ هش میشود. هش همانند اثر انگشت دیجیتال یکتایی از دادهها است.
- درهمسازی زوجی: هشها سپس جفت و با هم هش میشوند تا سطح بعدی گرهها را شکل دهند. مثلاً اگر چهار تراکنش داشته باشید، ابتدا چهار گره برگ ایجاد میکنید. سپس آنها را هش میکنید تا دو گره جدید به دست آورید و در ادامه، آن دو را هش میکنید تا ریشه Merkle را بسازید.
- ساخت درخت: این فرآیند بهصورت مکرر ادامه مییابد، گرهها را جفت و جفتها را هش میکند؛ تا وقتی که به یک هش واحد یا همان، ریشه Merkle Tree در بالا برسید.
درخت مرکل چه مزایای دارد؟
همه مزایای این ابزار را شاید بتوانیم در موارد زیر خلاصه کنیم.
یکپارچگی داده
درختMerkle یکپارچگی دادهها را با تسریع فرآیند صحتسنجی آنها تضمین میکند. تصور کنید که حتی با تغییر کردن یک بیت از دادههای تراکنش، هش تغییر میکند و با انتشار یافتن در درخت، منجر به یک ریشه Merkle متفاوت میشود. لذا در چنین شرایطی تشخیص دادن هرگونه دستکاری در دادهها آسان است.
ارتقای کارایی فرآیند تأیید دادهها
Merkle Tree امکان تأیید کارآمد و ایمن دادهها را فراهم میکند؛ یعنی به جای تأیید کل مجموعه داده، میتوانید فقط بخش کوچکی از درخت را تأیید کنید. چنین قابلیتی بهویژه در مجموعههای بزرگ داده از جمله تراکنشهای بلاکچین بسیار کاربردی است.
کارایی فضا و زمان
درخت مرکل از میزان ذخیرهسازی و پردازش دادهها میکاهد؛ لذا در سیستمهای دارای منابع محدود یا وابسته به پردازشهای سریع، کارساز است.
مهمترین کاربردهای Merkle Tree کدامند؟
شاید بهترین کاربرد این ابزار برای معاملهگرهای رمزارزها باشد؛ چرا که آنها به تراکنشهایی امن و دقیق نیاز دارند. کاربردهای اصلی این فناوری را در ادامه میخوانید.
بلاکچین
در فناوری بلاکچین، از درخت مرکل برای سازماندهی و ایمنسازی تراکنشها استفاده میکنند. هر بلوک بلاکچین حاوی یک ریشه Merkle است که همه تراکنشهای آن بلوک را در خودش دارد. چنین ساختاری امکان تأیید سریع تراکنشهای تکی را بدون نیاز به دانلود کردن کل بلاکچین فراهم میکند.
سیستمهای توزیع شده (Distributed System)
Merkle Tree را در سیستمهای توزیع شده جهت تضمین سازگاری دادهها به کار میبرند. بهطور مثال، درختان Merkle در پایگاههای داده توزیع شده با تسریع مقایسه دادهها در سطح گره، تضمین میکنند که همه نسخههای این پایگاهها یکسان هستند.
فایل سیستمها (File Systems)
در برخی از این سیستمها از Merkle Tree برای حصول اطمینان از یکپارچگی فایلها استفاده میکنند. فایل سیستم با ذخیره کردن ریشه Merkle میتواند به سرعت بررسی کند که فایلها دستکاری یا خراب شدهاند یا خیر.
چگونه دادهها را به کمک درخت مرکل تأیید کنیم؟
Merkle Tree راهکار کارآمد زیر را برای اعتبارسنجی دادهها در اختیارتان میگذارد.
- دریافت ریشه Merkle: فرآیند تأیید دادهها از دریافت ریشه Merkle مجموعه داده آغاز میشود.
- درخواست اثبات: برای قطعه خاصی از دادهها، مدرک لازم از فرستنده آنها درخواست میشود؛ مانند هشهای مورد نیاز جهت طی کردن مسیر بازسازی از دادهها به ریشه Merkle.
- محاسبه کردن مجدد هشها: هشهای بالای درخت را به کمک مدرک مذکور دوباره محاسبه میکنند تا مطمئن شوند که با ریشه Merkle Tree مطابقت دارند.
- تأیید یکپارچگی: در صورتی که ریشه محاسبه شده مجدد با ریشه Merkle شناسایی شده در مرحله دریافت یکی باشد، یعنی دادهها سالم و دستنخورده هستند.
سخن پایانی
درخت مرکل را ابزار قدرتمندی برای تضمین یکپارچگی و کارآمدی دادهها بدانید. با سازماندهی دادهها در این ساختار نوآورانه درختی، فرآیندهای راستیآزمایی آنها چابکتر و مؤثرتر از قبل میشوند. این ساختار با استفاده از هش رمزنگاری میتواند فایلهای حیاتی فناوری بلاکچین، سیستمهای توزیع شده و فایل سیستمها را از خطراتی مانند دستکاری مصون نگه دارد. قابلیت اصلی Merkle Tree شاید اعتبارسنجی و حصول اطمینان از سازگاری دادهها با بهرهگیری حداقلی از منابع است. در نتیجه، به زعم متخصصان ما در ViFox College، آن را باید مفهومی خلاقانه و کارآمد در حوزه امنیت دیجیتال تعریف کنیم.
