درخت مرکل چیست؟ مزایا و معایب استفاده از درخت مرکل در بلاکچین

مقدمه

امروزه با گسترش فناوری شبکه‌های رمزنگاری، چالش‌هایی مثل: امنیت و سرعت در این شبکه‌ها، مطرح میشوند. از اینرو محققان، راه حل‌های متنوعی برای پاسخگویی به این چالشها، ارائه کرده‌اند. درخت مرکل (Merkle)، یکی از قویترین آن روش‌ها است. پس در ادامه، به معرفی و بررسی این مهم میپردازیم. همچنین، از کاربردش در شبکه بلاکچین خواهیم گفت. اگر نمیدانید بلاک‌چین چیست؟، میتوانید از اینجا به اطلاعات مفیدی دست یابید. 

درخت Merkle چیست؟

درخت مرکل، مفهومی ریاضی است که برای اطمینان از صحت اطلاعات در دنیای دیجیتال استفاده می‌شود. این مفهوم کاربردی، توسط رالف مرکل در سال 1979، بعنوان راهی برای تأیید یکپارچگی داده‌ها در سیستم‌های کامپیوتری، معرفی شد.  هدف آن، نگهداری منظم اطلاعات است، به نحوی که قابل بررسی هم باشند. درخت Merkle، تأمین بالاترین سطح امنیت در پردازش اطلاعات، را تضمین میکند.

درخت مرکل چیست؟

ساختار درخت مرکل (Merkle)

درخت مرکل، شامل گره‌هایی است که هرکدام از آنها دارای هش منحصربفردی هستند. این گره‌ها، به صورت سلسله مراتبی با یکدیگر، پیوند خورده‌اند. در انتهای این ساختار هم، به ریشهٔ درخت(روت) که نشان‌دهندهٔ هش کل درخت است، می‌رسیم. 

درخت مرکل چگونه کار میکند؟

کارکرد درخت مرکل به این صورت است که از الگوریتم‌های هش استفاده می‌کند. در این ساختار، داده‌های ورودی، توسط الگوریتم انتخاب شده برای تولید هش، به رشته‌های کوتاهتری تبدیل میشوند. در نهایت تمامی بلوک‌های درخت، به صورت خطی به یک خروجی نهایی تبدیل می گردد. اگر یک ورودی تغییر کند، بایستی برای تولید خروجی نهایی دیگری، تمام بلوک های قبلی تغییر کنند. به زبانی ساده‌تر: برای تغییر خروجی نهایی، نیاز به تأیید تمامی ورودیها داریم. پس، تغییرات احتمالی غیرمجاز، براحتی قابل ردیابی هستند. مثالی برای درک بهتر: فرض کنید می‌خواهیم صحت عکسی که در یک سامانه ذخیره شده را بررسی کنیم. بجای بررسی تمام بیت‌ها و پیکسل‌های عکس، می‌توانیم از ساختار درخت Merkle بهره ببریم. در این حالت، هر تکه کوچکتر از عکس را به یک هش تبدیل می‌کنیم. سپس هش‌ها را به هم مرتبط می‌سازیم تا در نهایت یک هش اصلی برای کل عکس داشته باشیم. با ایجاد جزئی‌ترین تغییری در عکس، هش اصلی هم تغییر کرده که به راحتی قابل شناسایی خواهد بود.

مکانیزم عملکرد درخت Merkle

نکات مهم در طراحی بهینه درختان Merkle

با توجه به توضیحات گفته شده، واضح است که در اجرای درخت مرکل، نیاز به الگوریتم‌های دقیق ریاضی برای تولید هش خواهد بود. بنابراین، کارایی درخت، وابستگی زیادی به نوع الگوریتم انتخاب شده، دارد. پس، الگوریتم هش باید دارای ویژگی‌هایی، مانند: امنیت بالا، رمزی بودن و اجرای سریع باشد. در این زمینه الگوریتم‌های معروفی، از جمله: SHA-256 و SHA-512 انتخابهای مناسبی به شمار میروند. اما قبل از انتخاب الگوریتم، لحظه‌ای صبر کنید!؟! ابتدا، شبکه‌های رمزنگاری مورد نظرتان را بررسی کنید. سپس، الگوریتمی که بهترین ترکیب امنیت و کارآیی را برای شما به ارمغان می‌آورد، انتخاب نمایید.

کاربرد درخت مرکل در بلاکچین ها

و اما سوال مهم اینجاست: چرا مفهوم درخت مرکل در بلاک‌چین‌های مختلف، اینقدر مهم است؟؟؟ پس از شناخت جامعی که از درخت Merkle بدست آوردیم، اکنون به سراغ پاسخ این سوال میرویم. زنجیره ای از بلوک‌ها را در یک بلاکچین تصور کنید که در آن، هر بلوک از تراکنش‌های متعددی تشکیل شده است. این تراکنش‌ها، با یکدیگر گروه‌بندی شده تا یک شناسه یگانه، به نام هش ایجاد کنند. بنابراین، تأیید صحت یک تراکنش خاص در یک بلوک، بدون نیاز به دانلود کل زنجیره، آسان میشود. این طراحی تا حد زیادی فرآیند تأیید را بهینه می کند و منابع محاسباتی مورد نیاز را به حداقل میرساند. بدین ترتیب، سیستم بلاک‌چین ایمن‌تر و کارآمدتری خواهیم داشت.

کاربرد درخت مرکل در بلاکچین

مزایای درخت مرکل

یکی از مزایای اصلی درخت مرکل در بلاک‌چین، توانایی آنها در تضمین یکپارچگی داده است. یعنی، حتی اگر چندین تراکنش در یک بلوک ذخیره شده باشند، میتوان سریعاً صحت یک تراکنش خاص را، بدون نیاز به بررسی تک تک تراکنش‌ها در بلوک تأیید کرد. این ویژگی، بلاک‌چین‌ها را برای مدیریت تعداد زیادی از تراکنش‌ها، مناسب می‌کند.

مزیت دیگر درختان مرکل این است که: هر گونه تغییر در داده‌ها (حتی یک بیت)، منجر به ایجاد یک هش منحصر به فرد میشود. این ویژگی، تغییر ناپذیری را برای بلاکچین فراهم میکند. به عبارتی ساده‌تر، یعنی هنگامی که یک تراکنش به زنجیره بلوک‌ها اضافه میشود، نمیتوان آن را تغییر داد و یا حذف کرد. بنابراین سیستم را ایمن تر و قابل اعتمادتر می کند.

نقاط ضعف درخت مرکل

با وجود این مزایا، مفهوم درخت مرکل دارای معایبی نیز میباشد که باید در نظر گرفته شوند. یکی از معایب احتمالی، هزینه مربوط به ساخت و تأیید درخت است. با افزایش تعداد تراکنش‌ها در یک بلوک، زمان و منابع محاسباتی مورد نیاز برای محاسبه مقادیر هش و ساخت درخت نیز افزایش می‌یابد. این مسئله، بطور بالقوه میتواند عملکرد کلی سیستم را کُند نماید. (بخصوص در زمانهایی که حجم تراکنش بالایی وجود دارد)

از طرفی، با اضافه شدن تراکنش های جدید به بلاکچین، اندازه درخت بزرگتر شده که نیاز به فضای ذخیره‌سازی را افزایش میدهد.

طراحی بهینه و پیاده‌سازی Merkle

نتیجه گیری

در نهایت، درخت مرکل به عنوان یک ابزار کاربردی و اساسی در بلاک‌چین‌های مختلف، بهبود و افزایش امنیت اطلاعات را فراهم می کند. به کمک امکانات Merkle، می‌توان تأیید صحت اطلاعات و جلوگیری از دستکاری غیرمجاز در زنجیره بلاکچین‌ را انجام داد. همچنین، بررسی تکنیک‌های اجرای Merkle در بلاک‌چین‌های مختلف، نشان از انعطاف‌پذیر و قابل تطبیق بودن آن دارد. با اینکه Merkle عاری از عیب نیست، اما همچنان کفه ترازو به سمت مزایا و نقاط مثبتش سنگینی میکند. خلاصه؛ با بررسی شبکه مد نظر، اتخاذ الگوریتم متناسب و تأمین منابع ذخیره‌سازی مورد نیاز، بهترین نتیجه از پیاده‌سازی درخت، بدست می‌آید.

سوالات متداول

__ چگونه درخت‌ مرکل امنیت بلاک‌چین‌ها را تضمین می کنند؟ Merkle با استفاده از الگوریتم‌های هش، هر بلوک اطلاعات را به صورت یک مقدار هش یکتا، تبدیل می‌کند. این مقدار هش، در بلوک‌ها ذخیره می‌شود و اگر حتی یک تغییر کوچک در بلوک اصلی رخ دهد، مقدار هش کلی درخت تغییر می‌کند. این ویژگی، امکان تشخیص هر تغییر غیرمجاز در اطلاعات را به کاربر گزارش داده و امنیت را تضمین می‌کند.

__ آیا درخت Merkle فقط در بلاک‌چین به کار میرود؟ خیر، ساختار مرکل علاوه بر استفاده در بلوک‌چین، در سایر حوزه‌ها نیز کاربردهای متنوعی دارد. از جمله استفاده‌های Merkle در حوزه‌های دیگر، می‌توان به سیستم‌های اشتراک فایل، امنیت شبکه، بانکداری الکترونیک، امضاء دیجیتال و سیستم‌های ذخیره سازی اشاره نمود.

__ آیا پیاده سازی Merkle در شبکه های رمزنگاری، پیچیده است؟ طراحی و اجرای درخت مرکل، نسبتاً ساده‌ است. اما، توجه به یکسری نکات مهم، لازم است. برای پیاده‌سازی موفق، نیاز به انتخاب الگوریتم هش مناسب، مدیریت فضای حافظه  و ذخیره‌سازی داده‌ها خواهیم داشت.