ما هي شجرة Merkle في التشفير وكيف تعمل؟

تعد Blockchain والعملات المشفرة مشهدًا شاسعًا ومعقدًا. يدخل العديد من التروس في هذه الآلة ، بما في ذلك ما يعرف بشجرة Merkle. تلعب أشجار Merkle دورًا رئيسيًا في وظائف blockchain ، ولكن ماذا تفعل بالضبط؟ كيف تعمل شجرة Merkle ، ولماذا هي مهمة جدًا في تقنية blockchain؟

كيف تعمل Blockchain؟

قبل الدخول في ديناميكيات شجرة Merkle ، من المهم أن نفهم كيف تعمل blockchains.

في أبسط العبارات ، فإن blockchain عبارة عن سلسلة افتراضية من الكتل ، تحتوي كل منها على مجموعة البيانات الخاصة بها. تستخدم كل كتلة التشفير ، والتجزئة على وجه التحديد ، لتأمين البيانات وإبقائها بعيدًا عن أيدي الجهات الخبيثة.

يتم استخدام Blockchains بشكل شائع في صناعة العملات المشفرة ، حيث يتم تسجيل كل معاملة يتم إجراؤها مع أصل معين على blockchain الأصلي الخاص به. علاوة على ذلك ، يتم تسجيل كل معاملة ترتيبًا زمنيًا وتكون مرئية لسلسلة blockchain بأكملها (يمكن عرضها باستخدام أدوات مثل مستكشف blockchain).

لا يمكن تغيير المعاملات على blockchain أو حذفها. بدلاً من ذلك ، باستخدام ملف عملية تسمى التجزئةيتم ترميز البيانات من خلال الخوارزميات الرياضية. يمكن لهذه الخوارزميات تحويل أي طول من الأحرف إلى طول ثابت ومشفّر.

عند تسجيل المعاملات على blockchain ، تلعب أشجار Merkle دورًا مهمًا. لكن كيف تعمل شجرة ميركل؟

ما هي شجرة ميركل؟

اسم "شجرة ميركل" له أصلان. تشير كلمة "Merkle" إلى رالف ميركل ، عالم الكمبيوتر والرياضيات الأمريكي الذي ساهم بشكل كبير في تشفير المفتاح العام. اقترح Merkle في البداية أشجار التجزئة الثنائية في عام 1987 في ورقة بعنوان "توقيع رقمي قائم على أ وظيفة التشفير التقليدية. "اخترع Merkle أيضًا تجزئة التشفير ، والتي تُستخدم في Merkle شجرة.

الجزء الثاني من "شجرة ميركل" ينبع من هيكلها. شجرة Merkle (أو شجرة التجزئة الثنائية) هي بنية بيانات تشبه إلى حد ما شجرة. تحتوي أشجار Merkle على "فروع" و "أوراق" ، مع كل "ورقة" أو "فرع" تحتوي على تجزئة كتلة البيانات.

باختصار ، تعمل شجرة Merkle على تبسيط عملية تخزين تجزئة المعاملات على blockchain. يقوم بتجميع جميع المعاملات معًا داخل كتلة واحدة ويقوم بتشفيرها بكفاءة من أجل تخزين أكثر أمانًا وأسرع في شكل تجزئة واحدة. باستخدام شجرة Merkle ، يمكن تقييم صحة البيانات بسرعة من خلال تجزئة نهائية واحدة. يعمل هذا على تبسيط عملية تخزين البيانات ولكنه يحافظ أيضًا على تكامل الأمان.

لا تتطلب أشجار Merkle أيضًا العديد من الموارد الحسابية. في الواقع ، قاموا بتقليص مساحة التخزين المطلوبة للبيانات عن طريق تجميع تجزئات معاملات متعددة في واحد فقط. لطالما كان استخدام الموارد نقطة خلاف في صناعة التشفير ، حيث يمكن أن تمثل شبكات blockchain استنزافًا كبيرًا لمساحة التخزين والطاقة. لذا ، فإن استخدام أشجار Merkle يساعد في التخفيف من هذه المشكلة. يمكن أن يكون تخزين البيانات على السلسلة مكلفًا أيضًا ، لذا فإن استخدام أشجار Merkle لتقليل كمية البيانات يمكن أن يساعد منصات blockchain في توفير المال.

علاوة على ذلك ، لا تستغرق عملية شجرة Merkle وقتًا طويلاً ، وهي أخبار جيدة فيما يتعلق بالكفاءة. بعد كل شيء ، تم تحديد العديد من سلاسل الكتل لأوقات معاملاتها الطويلة (بما في ذلك البيتكوين) ، لذا فإن أي عملية يمكن أن تساعد في هذه المشكلة تعتبر ميزة إضافية.

تُستخدم أشجار Merkle في العديد من مجالات الحوسبة (خاصةً التشفير والتشفير) ولكنها غالبًا ما تُعرف بوجودها في بلوكشين العملات المشفرة. تستخدم Bitcoin و Ethereum و Dogecoin وجميع العملات المشفرة الأخرى شجرة Merkle ، لذلك فهي بلا شك عنصر مهم.

فكيف يعمل؟

كيف تعمل شجرة ميركل؟

يوجد أدناه رسم تخطيطي لكيفية عمل شجرة Merkle. لاحظ أنه في الواقع ، سيكون هناك العديد من المعاملات والتجزئة لكل شجرة ، ولكن هذه الصورة تبسط العملية حتى تتمكن من الحصول على فكرة عن الخطوات المتضمنة.

بالنظر إلى مخطط شجرة ميركل هذا ، تبدو الأمور معقدة بعض الشيء. لكن عملية تجزئة شجرة Merkle واضحة تمامًا عند تعطلها.

هناك خطوتان تدخلان في عملية شجرة Merkle. تُعرف التجزئات الموجودة أسفل شجرة Merkle بالأوراق ، بينما تُعرف التجزئة الموجودة في منتصف الشجرة بالفروع. يشار أيضًا إلى الفروع أحيانًا باسم العقد غير الورقية. في الجزء السفلي من الرسم التخطيطي ، لديك كتل البيانات (أو المعاملات) التي ستظهر منها التجزئة.

يتم تجزئة المعاملات الأولية من كل عقدة في أزواج ، مع بقاء تجزئة واحدة كنتيجة. بعد ذلك ، يتم تجزئة الأزواج على الزوج بشكل متكرر في واحد حتى تظهر تجزئة واحدة ، حيث تنتهي العملية. إذا حدث أن يكون هناك عدد فردي من المعاملات داخل كتلة ، فسيتم تكرار معاملة واحدة بحيث يمكن إقرانها بالأصل للتجزئة.

على الرغم من ظهور التجزئة النهائية أعلى الرسم البياني أعلاه ، إلا أنها تُعرف باسم "جذر" الشجرة (تجزئة الجذر). الجذر هو في الأساس ذروة تجزئة جميع تجزئات المعاملات الفردية المخزنة داخل الكتلة. مطلوب شجرة Merkle واحدة لكل كتلة ، مما يعني أن كل كتلة تحتوي على حقل بيانات Merkle Root واحد.

إذا سبق لك أن نظرت في بلوكشين بتعمق ، فربما تكون قد سمعت عن Merkle Root أو Merkle Hash. داخل الكتلة يوجد شيء يعرف باسم hashMerkleRoot. يتم الاحتفاظ بهذه البيانات (التجزئة النهائية في نهاية الشجرة) في رأس الكتلة لكتلة معينة. أ تحتوي blockchain block أيضًا على بيانات أخرى، مثل الطابع الزمني ورقم إصدار الأصل و "nonce" (الرقم يستخدم مرة واحدة فقط).

هل يمكن أن تعمل البلوكشين بدون أشجار Merkle؟

في حين أن أشجار Merkle ليست مطلوبة تمامًا لوجود blockchain ، إلا أنها تلعب دورًا مهمًا بشكل لا يصدق في تأمين البيانات.

بدون أشجار Merkle ، تتطلب سلاسل الكتل المشفرة مزيدًا من الموارد والوقت لتنفيذ العمليات الرئيسية. أولاً ، يجب أن تحتفظ كل عقدة داخل الشبكة بنسختها الخاصة من كل معاملة يتم إجراؤها على blockchain. في سلاسل الكتل الكبيرة ، يمكن إجراء مئات الآلاف من المعاملات في مساحة واحدة فقط اليوم ، لذا فإن إضافة مثل هذا الحجم من البيانات إلى نسخة كل عقدة ستستهلك بلا شك الكثير من موارد.

علاوة على ذلك ، تلعب أشجار Merkle دورًا كبيرًا في التحقق من البيانات. من خلال تجزئة الجذر الفردي في نهاية الشجرة ، يمكن للمدققين والمُعدِنين التحقق مما إذا كانت الكتلة ، ككل ، صالحة لإضافتها إلى blockchain. تعد القدرة على مصادقة البيانات دون غربلة كل معاملة مفردة ميزة إضافية ، مما يوفر الوقت ومساحة التخزين.

تعد أشجار Merkle مفتاحًا في وظيفة Blockchain

ليس هناك من ينكر أن أشجار Merkle توفر أمانًا وفعالية في سلاسل الكتل دون أن تشغل مساحة كبيرة. تسمح عملية التشفير الأنيقة هذه لشبكات البلوكشين بالعمل بسلاسة دون الحاجة إلى الاستخدام المفرط للموارد. لا تعد أشجار Merkle ضرورية ولكنها مفيدة بشكل كبير عندما يتعلق الأمر بالوقت ومساحة التخزين ومصادقة البيانات.