Cos'è un Merkle Tree in Blockchain e come funziona?

Le prelibatezze chiave:

• I Albero di merkle è un tipo di hash tree binario che ha 3 tipi di nodi: nodi foglia, nodi non foglia e nodi radice.
• Un albero Merkle è utile per la verifica e il mantenimento dell'integrità delle transazioni in qualsiasi libro mastro decentralizzato.
• L'albero di Merkle è visto in Bitcoin così come in Ethereum.

Introduzione

Cryptovalute non sono più un soggetto sconosciuto, e nemmeno lo è blockchain, la tecnologia alla base della loro origine. Per qualsiasi appassionato di criptovalute, comprendere le strutture blockchain e il loro funzionamento è il primo passo per realizzare la vera natura delle criptovalute.

Mentre la comprensione delle diverse strutture blockchain è dove entrano in gioco gli alberi di Merkle. Sviluppato come concetto nel 1980 da Ralph Merkle della Stanford University, il Albero di merkle è comunemente usato nelle reti peer-to-peer (P2P) per far fronte ai requisiti di potenza di calcolo e spazio di memoria. Non sarebbe esagerato affermare che gli alberi Merkle hanno reso la tecnologia blockchain un enorme successo. Quindi tuffiamoci nel significato dietro l'albero di Merkle e come funziona.

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Una panoramica dell'albero di Merkle

In poche parole, un albero Merkle rappresenta il modo in cui i dati sono strutturati in modo mirato. Consente una verifica rapida ed efficiente di un'ampia quantità di informazioni su una blockchain. Come accennato in precedenza, Ralph Merkle lo ha inconsapevolmente creato come concetto in un documento intitolato "Una firma digitale certificata". Ma nessuno si aspettava che in futuro diventasse una componente importante di un libro mastro decentralizzato.

L'albero Merkle ha migliorato il mondo della crittografia sin dal suo inizio. Ma è diventato vitale per le criptovalute dopo che il misterioso creatore di Bitcoin lo ha utilizzato nel codice fondamentale di BTC. Successivamente, anche Ethereum e altre criptovalute hanno adottato gli alberi Merkle.

Nel caso della rete Bitcoin, gli alberi di Merkle sono un componente efficiente che utilizza gli hash invece del file di informazioni di grandi dimensioni per la verifica dei dati. Un albero Merkle utilizza una terminologia descrittiva unica per descrivere le relazioni tra i nodi e i loro livelli.

Ogni singolo blocco all'interno della blockchain contiene un numero di transazioni. Memorizzare tutte quelle transazioni e trovare quali transazioni particolari appartengono a quale blocco può essere un'attività frustrantemente costosa. Inoltre, può avere un impatto negativo sull'efficienza di una blockchain. Tuttavia, con gli alberi Merkle, tutte le transazioni vengono organizzate in modo efficiente, con conseguente utilizzo di meno dati per la verifica e riduzione dell'elaborazione della CPU.

Capire come funziona un albero Merkle in una blockchain

Ecco un semplice esempio per chiarire questo concetto: 

Immagina un blocco di dati come quello mostrato sopra che ha 4 transazioni: L1, L2, L3 e L4. Per archiviare queste transazioni, possiamo implementare il concetto di albero Merkle calcolando l'hash di ogni transazione. Dopo calcolo, riceviamo Hash L1, Hash L2, Hash L3 e Hash L4.

Questi hash di ogni transazione sono memorizzati in un nodo, solitamente chiamato nodo foglia, dell'albero Merkle. Ma il nostro lavoro continua, poiché dobbiamo formare nodi non foglia accoppiando nodi foglia. Dopo il calcolo, otteniamo Hash 0 e Hash 1, che sono chiamati nodi padre o nodi non foglia degli hash di L1, L2, L3 e L4.

Infine, l'hash di Hash 1 e Hash 2 viene calcolato accoppiandoli insieme e raggiungiamo il nodo radice, che è la radice di Merkle. Attraverso questo esempio, comprendiamo che gli alberi Merkle funzionano eseguendo ripetutamente l'hashing dei nodi figlio fino a quando un singolo hash rimane all'interno della struttura.

In questo modo, l'albero Merkle ti dice esattamente se una transazione ha influenzato l'albero controllando solo la radice dell'albero. La radice di Merkle è archiviata nell'intestazione del blocco, rendendola a prova di manomissione e migliorando la fiducia e l'integrità all'interno di un libro mastro decentralizzato. È importante notare che gli alberi Merkle utilizzano una funzione hash unidirezionale e continuerebbero fino a quando questo hashing non separerà la prova dei dati dai dati.

La necessità degli alberi Merkle per la blockchain

Ora che abbiamo discusso cos'è un albero Merkle e come funziona, l'unica cosa che resta da fare è capire perché è importante per la blockchain. I numerosi vantaggi di un albero Merkle lo rendono una necessità per la tecnologia blockchain e persino per le piattaforme crittografiche. Alcuni di questi vantaggi sono:

Quando si tratta di trasferire, elaborare e attraversare dati, non sono consentiti ritardi. Questo è il motivo per cui molte blockchain utilizzano un albero Merkle per mantenere la rete libera da qualsiasi tipo di ritardo durante il trasferimento dei dati. Riducendo la quantità di memoria necessaria per dimostrare l'integrità e la validità dei dati, gli alberi Merkle diventano una parte essenziale della blockchain.

Nella blockchain di Bitcoin, che è un P2P distribuito, possono esserci incoerenze o addirittura manomissioni dei dati perché gli stessi dati esistono su ogni computer connesso alla rete P2P. In questo caso, l'albero Merkle rende facile per i minatori identificare qualsiasi tipo di incoerenza o manomissione delle transazioni.

Senza l'utilizzo di questo concetto, tutti i dati dovranno essere trasferiti in tutta la rete, con conseguente rallentamento della rete, ridotta efficienza e spese inutili. Tale scenario può essere evitato con l'aiuto degli alberi Merkle, che consentono una rapida verifica dei dati con potenza di calcolo e larghezza di banda pratiche.

Conclusioni

Gli alberi Merkle sembrano un concetto complicato, ma sono una componente cruciale della tecnologia blockchain e delle criptovalute. Senza l'esistenza di questo concetto, non ci sarebbe alcun sistema affidabile utilizzato in Bitcoin, Ethereum e mining.

FAQ:

Q1. Gli alberi Merkle sono stati progettati per ottenere cosa?
L'albero Merkle è stato progettato come un processo per verificare i dati per consentire ai computer di lavorare più velocemente.
D2. Qual è la connessione tra l'albero Merkle ed Ethereum?
Merkle tree è un tipo di struttura blockchain che è alla base non solo di Ethereum ma anche di Bitcoin e del processo di mining di criptovalute. Tuttavia, Ethereum utilizza una versione modificata dell'albero Merkle, comunemente noto come albero Merkle Patricia.
D3. Come implementare l'albero di Merkle
Per implementare gli alberi Merkle, è necessario iniziare con alberi binari, in cui ogni nodo non foglia è l'hash di due nodi figli. Queste foglie potrebbero contenere i dati o il file hash dei dati.
D4. Quali sono alcuni vantaggi dell'albero Merkle?
Essendo una struttura leggera che aumenta la scalabilità all'interno della blockchain, l'albero Merkle può sbarazzarsi di dati non necessari e quindi migliorare l'efficienza. Sia i minatori che gli utenti possono trarre vantaggio dall'albero Merkle, in quanto verifica le singole parti dei blocchi, controlla le transazioni utilizzando gli hash e calcola anche gli hash mentre ricevono le transazioni.