البلوكشين هو دفتر الأستاذ اللامركزي لتسجيل البيانات. إنها التكنولوجيا وراء العملات المشفرة. على عكس دفتر الأستاذ اليدوي، فإن سلسلة البلوكشين غير قابلة للتغيير، وأي سجل على البلوكشين نهائي ولا يمكن إتلافه. من بين الميزات التي تساهم في تفرد بلوكتشين هي شجرة ميركل وجذر ميركل.

تعد شجرة Merkle جزءًا لا يتجزأ من البلوكشين. فهي تساعد على التحقق الفعال من المعاملات والحفاظ على سلامة المعلومات المخزنة على البلوكشين. في شبكة لامركزية مثل بيتكوين، حيث يمتلك الجميع نسخة من بيانات الشبكة، هناك حاجة للتحقق من صحة هذه البيانات لضمان الاتساق. دعونا نلقي نظرة على كيفية تطبيق شجرة ميركل وجذر ميركل في البلوكشين.

ما هي شجرة ميركل؟

شجرة Merkle هي بنية تستخدم للتحقق بفعالية وكفاءة من سلامة البيانات والحفاظ عليها في المجموعة. وتتكون من تجزئات معاملات متعددة مرتبة في هيكل يشبه الشجرة. تُستخدم وظائف الهاش في البلوكشين لتمثيل تفاصيل المعاملات ببساطة وثبات. بعبارة أخرى، التجزئة هي أخذ إدخال بأي طول وإرجاع إخراج بطول ثابت. إن استخدام وظائف التجزئة لتمثيل المعلومات يسهل المعالجة الفعالة لكميات كبيرة من المعلومات.

تم تطوير شجرة ميركل في عام 1980 من قبل الأستاذ في جامعة ستانفورد، رالف ميركل. قدم التكنولوجيا في ورقته حول التوقيعات الرقمية بعنوان «توقيع رقمي معتمد». تُستخدم أشجار Merkle في الغالب في شبكات نظير إلى نظير (P2P) حيث تتم مشاركة المعلومات والتحقق من صحتها بشكل مستقل. تُستخدم شجرة Merkle على نطاق واسع في العملات المشفرة مثل Bitcoin للتحقق من صحة المعاملات.

تتكون سلسلة البلوكشين كما يوحي الاسم من كتل مرتبطة ببعضها البعض. كل كتلة قادرة على استضافة الآلاف من بيانات المعاملات. يتطلب التحقق من المعاملات على الشبكة الكثير من المساحة وقوة المعالجة. ولكن بمساعدة شجرة Merkle، يمكن التحقق من المعاملات دون الحاجة إلى المرور بآلاف المعاملات على الشبكة.

يتم تجميع المعاملات في أزواج ويتم العثور على تجزئة كل زوج وتخزينها في العقدة الأصلية. يتم أيضًا إقران العقد الأصلية ويتم العثور على الهاش الخاص بها وتخزينها بمستوى أعلى. يستمر الاتجاه حتى نصل إلى جذر شجرة التجزئة. باختصار، هناك ثلاثة أنواع من العقد على شجرة ميركل.

1. العقدة الورقية: كل معاملة واحدة في الكتلة لها قيمة التجزئة الخاصة بها. يتم تخزين قيمة التجزئة هذه على العقدة الورقية.
2. العقدة غير الورقية: تتكون هذه العقدة من قيم التجزئة من العقد الورقية المختلفة. إنه الوسيط بين العقدة الورقية والعقدة الجذرية.
3. عقدة الجذر: هذه هي جذر شجرة Merkle وتحتوي على هاش واحد يمثل جميع المعاملات في الكتلة المخزنة في رأس الكتلة.

باستخدام البنية المذكورة أعلاه، سيتطلب التحقق فقط التحقق من رأس الكتلة بدلاً من النظام بأكمله. يُقال أن شجرة ميركل ثنائية. هذا يعني أنه من أجل البناء الصحيح لشجرة ميركل، يجب أن يكون عدد العقد الورقية متساويًا. ولكن في حالة وجود عدد فردي من العقد الورقية، يتم تكرار العقد الأخير لجعله متساويًا.

ما هو جذر ميركل؟

جذر ميركل هو تجزئة جميع تجزئات المعاملات في شجرة ميركل. عندما يتم إقران المعاملات وتجزئتها بنجاح، تكون النتيجة هي جذر Merkle. سيؤدي التغيير في أي بيانات إلى تغيير في جذر Merkle. لذلك يضمن جذر merkle عدم تغيير أي بيانات على الشبكة.

كيف تعمل شجرة ميركل؟

تقوم شجرة Merkle بتقسيم البيانات المجمعة إلى وحدات أصغر يمكن التعامل معها بسهولة. فهو يجمع جميع بيانات المعاملات في كتلة لإنتاج بصمة رقمية واحدة. ومن ثم يصبح التحقق من المعاملات أسهل وأسرع.

تتكون شجرة Merkle من خلال الجمع بين أزواج مختلفة من العقد وتجزئتها. والنتيجة هي جذر ميركل. يمتد هيكل شجرة ميركل من الأسفل إلى الأعلى (الجذر إلى الأوراق). يتم إقران المعاملات المختلفة من العقد الورقية لتشكيل العقد غير الورقية حتى نصل إلى العقدة الجذرية.

للحصول على فهم أوضح لشجرة Merkle، ضع في اعتبارك كتلة تحتوي على 8 معاملات مختلفة، T1 و T2 و T3 و T4 و T5 و T6 و T7 و T8. يتم تجزئة كل معاملة لإنتاج H1 و H2 و H3 و H4 و H5 و H6 و H7 و H8. ثم يتم إقران التجزئات وتجزئتها مرة أخرى لإعطاء H (12) و H (34) و H (56) و (H78). يتم إقران النتيجة مرة أخرى وتجزئتها لإعطاء H (1234) و H (5678). ستؤدي الخطوة التالية إلى الحصول على H (12345678) كجذر ميركل. يمثل الرسم البياني أدناه شجرة ميركل التي تم إنشاؤها من 8 معاملات مختلفة في الكتلة.

يمنحك الشرح أعلاه نظرة ثاقبة لمفهوم شجرة ميركل، على الرغم من أنها أكثر تعقيدًا مما لدينا. يتم تخزين جذر merkle الذي تم إنشاؤه في النهاية في رأس الكتلة واستخدامه أثناء عملية التعدين. على سبيل المثال، في شبكة بيتكوين، يتم تجزئة رأس الكتلة بدلاً من التعامل مع معاملات منفصلة. مع وجود جذر Merkle في رأس الكتلة، سيتم اكتشاف أي تغيير في البيانات الأولية بسهولة. هذا يجعل النظام بأكمله مقاومًا للعبث.

مزايا شجرة ميركل

يوفر استخدام شجرة ميركل وجذور ميركل في البلوكشين العديد من المزايا. ومن أبرزها:

عملية التحقق من البيانات الفعالة

توفر Merkle tree وسيلة فعالة للتحقق من المعاملات دون استهلاك الكثير من قوة المعالجة.

سعة ذاكرة أقل

لا يتطلب التحقق من المعاملات باستخدام شجرة Merkle تنزيل البلوكشين بالكامل. ومن ثم يتطلب الحساب مساحة أقل مقارنة بهياكل البيانات الأخرى.

معاملات سريعة

عندما يتم إقران المعاملات وإنتاج هاش واحد، يصبح نقل المعلومات عبر الشبكة أسرع. هذا هو أحد الأسباب الرئيسية لنقل العملات المشفرة بسرعة كبيرة.

كشف التلاعب

تتيح شجرة Merkle اكتشاف متى تم العبث بالمعاملة. عندما يتم تجزئة المعاملة وتخزينها على البلوكشين، فإن التغيير في المعلومات الأولية سيؤدي أيضًا إلى تغيير في الهاش. يمكن اكتشاف ذلك من خلال مقارنة الهاش الحالي بالهاش المخزن في رأس الكتلة.

لماذا تعتبر أشجار ميركل وجذور ميركل ضرورية في بلوكتشين

تتكون البلوكشين من سلاسل من الكتل. يمكن أن تستوعب الكتلة الواحدة ما يصل إلى آلاف المعاملات المختلفة. يلخص الهاش الجذري الذي تم الحصول عليه في نهاية شجرة ميركل جميع المعاملات الموجودة في تلك الكتلة. هذا يجعل عملية التحقق فعالة وسيتم اكتشاف أي تغيير بسهولة.

في حالة عدم استخدام شجرة Merkle، ستحصل كل عقدة على الشبكة على نسختها من دفتر الأستاذ. يتطلب التحقق من المعاملات في مثل هذا النظام مراجعة جميع نسخ العقدة ومقارنتها. تتطلب مقارنة الإصدارات المختلفة من دفتر الأستاذ الكثير من طاقة الحوسبة ومساحة الذاكرة. ولكن بمساعدة شجرة Merkle، يتم تجاوز هذه العملية وأصبح التحقق ممكنًا باستخدام الحد الأدنى من قوة الحساب.

تطبيقات أشجار ميركل وجذور ميركل في بلوكتشين

تعتبر أشجار Merkle وجذور Merkle مهمة جدًا في البلوكشين. في شبكة Bitcoin والعملات المشفرة الأخرى، فهي ضرورية في عملية التعدين والتحقق.

التعدين

تعد شجرة Merkle جزءًا لا يتجزأ من شبكة Bitcoin. للتحقق من المعاملات وإضافة كتل جديدة، يتم تكليف عمال المناجم على الشبكة بتجزئة البيانات لإنشاء مخرجات تلتزم بشروط محددة. يمكن أن يكلف هذا تريليونات المحاولات قبل العثور على مخرجات صالحة. للقيام بذلك، يستمر عمال المناجم في تخمين الأرقام العشوائية للحصول على مخرجات.

أصبحت عملية التعدين أسهل وأكثر كفاءة باستخدام تجزئة الجذر. كل ما هو مطلوب هو إنشاء شجرة ميركل مناسبة باستخدام المعاملات المختلفة. ثم ضع تجزئة الجذر في رأس الكتلة. لذلك أثناء التعدين، تحتاج فقط إلى تجزئة رأس الكتلة بدلاً من الكتلة بأكملها.

التحقق

عند تشغيل عقدة على جهاز ذي طاقة معالجة محدودة. سيكون من المستحيل تنزيل جميع المعاملات في الكتلة وتجزئتها. ما نحتاجه هنا هو دليل Merkle (دليل على وجود معاملة معينة في الكتلة). هذا يقلل من عدد عمليات التجزئة التي يتعين القيام بها وبالتالي يمكن التحقق من المعاملات باستخدام الجهاز.

الخاتمة

تم تصميم أشجار Merkle وجذور Merkle لتعزيز التحقق من البيانات في blockchain. تساعد هذه الأدوات على ضمان صحة المعاملات دون الحاجة إلى تنزيل الشبكة بالكامل. إنهم العقل المدبر وراء محافظ الهواتف المحمولة اليوم. يمكن للمستخدمين التفاعل مع البلوكشين دون الحاجة إلى الحصول على نسخة كاملة من دفتر الأستاذ.