La cadena de bloques es un libro mayor descentralizado para registrar datos. Es la tecnología detrás de las criptomonedas. A diferencia de un libro de contabilidad manual, la cadena de bloques es inmutable, cualquier registro en la cadena de bloques es definitivo y no se puede corromper. Entre las características que contribuyen a la singularidad de blockchain se encuentran el árbol merkle y la raíz merkle.

El árbol de Merkle es una parte integral de la cadena de bloques. Ayuda a verificar transacciones de manera efectiva y a mantener la integridad de la información almacenada en la cadena de bloques. En una red descentralizada como Bitcoin, donde todos tienen una copia de los datos de la red, es necesario verificar que dichos datos sean válidos para garantizar la coherencia. Echemos un vistazo a cómo se aplican el árbol merkle y la raíz merkle en la cadena de bloques.

¿Qué es un árbol Merkle?

Un árbol merkle es una estructura que se utiliza para verificar y mantener de manera eficaz y eficiente la integridad de los datos en un conjunto. Consiste en múltiples hashes de transacciones dispuestos en una estructura similar a un árbol. Las funciones hash se utilizan en blockchain para representar los detalles de las transacciones de manera simple y consistente. En otras palabras, hash toma una entrada de cualquier longitud y devuelve una salida de una longitud fija. El uso de funciones hash para representar información facilita el manejo eficiente de grandes cantidades de información.

El árbol de Merkle fue desarrollado en 1980 por un profesor de Stanford, Ralph Merkle. Presentó la tecnología en su artículo sobre firmas digitales titulado “Una firma digital certificada” . Los árboles Merkle se utilizan principalmente en redes peer-to-peer (P2P) donde la información se comparte y se valida de forma independiente. El árbol merkle se usa mucho en criptomonedas como Bitcoin para verificar la validez de las transacciones.

La cadena de bloques, como su nombre lo indica, se compone de bloques unidos entre sí. Cada bloque es capaz de albergar miles de datos transaccionales. La verificación de transacciones en la red requerirá mucho espacio y potencia de procesamiento. Pero con la ayuda de un árbol merkle, las transacciones se pueden verificar sin pasar necesariamente por miles de transacciones en la red.

Las transacciones se agrupan en pares y el hash de cada par se encuentra y almacena en el nodo principal. Los nodos principales también se emparejan y su hash se encuentra y almacena un nivel más arriba. La tendencia continúa hasta que llegamos a la raíz del árbol de hachís. En resumen, hay tres tipos de nodos en el árbol Merkle.

1. Nodo hoja: cada transacción individual en un bloque tiene su valor hash. Este valor hash se almacena en el nodo hoja.
2. Nodo no hoja: este nodo se compone de valores hash de diferentes nodos hoja. Es el intermediario entre el nodo hoja y el nodo raíz.
3. Nodo raíz: esta es la raíz del árbol merkle y contiene un solo hash que representa todas las transacciones en un bloque que se almacena en el encabezado del bloque.

Con la estructura anterior, la verificación solo requerirá verificar el encabezado del bloque en lugar de todo el sistema. Se dice que el árbol Merkle es binario. Esto significa que para la construcción adecuada del árbol merkle, el número de nodos hoja debe ser parejo. Pero en una situación en la que tenemos un número impar de nodos hoja, el último se duplica para que sea par.

¿Qué es una raíz de Merkle?

La raíz de merkle es el hash de todos los hash de transacciones en el árbol de merkle. Cuando las transacciones se han emparejado y procesado con éxito, el resultado es la raíz merkle. Un cambio en cualquier dato conducirá a un cambio en la raíz de merkle. Por lo tanto, la raíz de merkle garantiza que no se alteren los datos en la red.

¿Cómo funciona un árbol Merkle?

El árbol merkle divide los datos masivos en unidades más pequeñas que se pueden manejar fácilmente. Combina todos los datos transaccionales en un bloque para producir una sola huella digital. Por lo tanto, verificar las transacciones se vuelve más fácil y rápido.

El árbol de Merkle se forma combinando y procesando diferentes pares de nodos. El resultado es la raíz de Merkle. La estructura de un árbol merkle va de abajo hacia arriba (raíz a hojas). Las diferentes transacciones de los nodos de hoja se emparejan para formar los nodos que no son de hoja hasta que llegamos al nodo raíz.

Para tener una comprensión más clara de un árbol merkle, considere un bloque con 8 transacciones diferentes, T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7 y T8. Cada transacción se codifica para producir H1, H2, H3, H4, H5, H6, H7 y H8. Luego, los valores hash se emparejan y se vuelven a generar para obtener H(12), H(34), H(56) y (H78). El resultado se empareja una vez más y se procesa para dar H(1234) y H(5678). Un paso más adelante producirá H(12345678) como la raíz de merkle. El siguiente diagrama representa un árbol merkle construido a partir de 8 transacciones diferentes en un bloque.

La explicación anterior le da una idea del concepto de un árbol merkle, aunque es más complicado que lo que tenemos. La raíz de merkle generada al final se almacena en el encabezado del bloque y se usa durante el proceso de minería. Por ejemplo, en la red de Bitcoin, el encabezado del bloque se codifica en lugar de transacciones separadas. Con la raíz Merkle presente en el encabezado del bloque, cualquier cambio en los datos iniciales se detectará fácilmente. Esto hace que todo el sistema sea a prueba de manipulaciones.

Ventajas del árbol de Merkle

Usar el árbol Merkle y las raíces Merkle en la cadena de bloques ofrece muchas ventajas. Destacan entre ellos:

Proceso eficiente de verificación de datos

Merkle Tree proporciona un medio eficiente para verificar transacciones sin consumir mucha potencia de procesamiento.

Menos capacidad de memoria

La verificación de transacciones mediante un árbol merkle no requiere la descarga de toda la cadena de bloques. Por lo tanto, el cálculo requiere menos espacio en comparación con otras estructuras de datos.

Transacciones rápidas

A medida que las transacciones se emparejan y se produce un solo hash, la transferencia de información a través de la red se vuelve más rápida. Esa es una de las principales razones por las que la transferencia de criptomonedas es muy rápida.

Detección de manipulación

El árbol merkle permite detectar cuándo se ha manipulado una transacción. Cuando una transacción se procesa y se almacena en la cadena de bloques, un cambio en la información inicial también provocará un cambio en el hash. Esto se puede detectar comparando el hash actual con el hash almacenado en el encabezado del bloque.

¿Por qué Merkle Trees y Merkle Roots son esenciales en Blockchain?

Blockchain consiste en cadenas de bloques. Un solo bloque puede contener hasta miles de transacciones diferentes. El hash raíz obtenido al final del árbol merkle resume todas las transacciones contenidas en ese bloque. Esto hace que el proceso de verificación sea eficiente y cualquier alteración sea fácilmente detectada.

En una situación en la que no se utiliza el árbol merkle, cada nodo de la red tendrá su copia del libro mayor. La validación de transacciones en dicho sistema requerirá pasar por todas las copias del nodo y compararlas. La comparación de diferentes versiones del libro mayor requerirá mucho poder de cómputo y espacio de memoria. Pero con la ayuda de un árbol merkle, este proceso se omite y la verificación se hace posible utilizando un poder de cómputo mínimo.

Aplicaciones de Merkle Trees y Merkle Roots en Blockchain

Los árboles Merkle y las raíces Merkle son muy importantes en la cadena de bloques. En la red Bitcoin y otras criptomonedas, son esenciales en el proceso de minería y verificación.

Minería

El árbol Merkle es una parte integral de la red Bitcoin. Para verificar las transacciones y agregar nuevos bloques, los mineros de la red tienen la tarea de procesar los datos para generar una salida que se adhiera a condiciones específicas. Esto puede costar billones de intentos antes de encontrar una salida válida. Para hacer esto, los mineros siguen adivinando números aleatorios para obtener un resultado.

El proceso de minería se hace más fácil y eficiente utilizando el hash raíz. Todo lo que se necesita es construir un árbol merkle apropiado usando las diferentes transacciones. Luego coloque el hash raíz en el encabezado del bloque. Entonces, durante la minería, solo necesita codificar el encabezado del bloque en lugar de todo el bloque.

Verificación

Al ejecutar un nodo en un dispositivo con potencia de procesamiento limitada. Será imposible descargar y codificar todas las transacciones en un bloque. Lo que se necesita aquí es una prueba Merkle (una prueba de que una transacción en particular está presente en un bloque). Esto reduce la cantidad de hash que se debe realizar, por lo que las transacciones se pueden verificar utilizando el dispositivo.

Conclusión

Merkle Trees y Merkle Roots están diseñados para mejorar la verificación de datos en la cadena de bloques. Estas herramientas ayudan a garantizar la validez de las transacciones sin necesidad de descargar toda la red. Son el cerebro detrás de las billeteras móviles en la actualidad. Los usuarios pueden interactuar con la cadena de bloques sin necesidad de tener una copia completa del libro mayor.