Was ist ein Merkle Tree in Blockchain und wie funktioniert er?

Die zentralen Thesen:

• Das Merkle Baum ist eine Art binärer Hash-Baum, der 3 Arten von Knoten hat: Blattknoten, Nicht-Blattknoten und Wurzelknoten.
• Ein Merkle-Baum ist nützlich für die Überprüfung und Aufrechterhaltung der Transaktionsintegrität in jedem dezentralisierten Ledger.
• Der Merkle-Baum ist sowohl in Bitcoin als auch in Ethereum zu sehen.

Einleitung

Kryptowährungen sind kein unbekanntes Thema mehr und sind es auch nicht Blockchain, die Technologie hinter ihrem Ursprung. Für jeden Krypto-Enthusiasten ist das Verständnis von Blockchain-Strukturen und ihrer Funktionsweise der erste Schritt, um die wahre Natur von Kryptos zu erkennen.

Beim Verständnis verschiedener Blockchain-Strukturen kommen Merkle-Bäume ins Spiel. Bereits 1980 von Ralph Merkle von der Stanford University als Konzept entwickelt, the Merkle Baum wird häufig in Peer-to-Peer (P2P)-Netzwerken verwendet, um die Anforderungen an Rechenleistung und Speicherplatz zu bewältigen. Es wäre nicht übertrieben zu sagen, dass Merkle-Bäume die Blockchain-Technologie zu einem großen Erfolg gemacht haben. Lassen Sie uns also in die Bedeutung hinter dem Merkle-Baum eintauchen und wie er funktioniert.

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Ein Überblick über den Merkle-Baum

Einfach ausgedrückt repräsentiert ein Merkle-Baum die Art und Weise, wie Daten zielgerichtet strukturiert werden. Es ermöglicht eine schnelle und effiziente Überprüfung einer umfangreichen Menge an Informationen auf einer Blockchain. Wie bereits erwähnt, hat Ralph Merkle es unwissentlich als Konzept in einem Papier mit dem Titel „A Certified Digital Signature“ erstellt. Aber niemand erwartete, dass es in Zukunft zu einem wichtigen Bestandteil eines dezentralen Ledgers werden würde.

Der Merkle-Baum hat die Welt der Kryptographie seit seiner Einführung verbessert. Aber es wurde für Kryptowährungen lebenswichtig, nachdem der mysteriöse Schöpfer von Bitcoin es im grundlegenden Code von BTC verwendet hatte. Danach übernahmen auch Ethereum und andere Kryptowährungen Merkle-Bäume.

Im Fall des Bitcoin-Netzwerks sind Merkle-Bäume eine effiziente Komponente, die Hashes anstelle der großen Informationsdatei zur Überprüfung von Daten verwendet. Ein Merkle-Baum verwendet eine einzigartige beschreibende Terminologie, um die Beziehungen zwischen Knoten und ihren Ebenen zu beschreiben.

Jeder einzelne Block innerhalb der Blockchain enthält eine Reihe von Transaktionen. Das Speichern all dieser Transaktionen und das Herausfinden, welche bestimmten Transaktionen zu welchem ​​Block gehören, kann frustrierend kostspielig sein. Darüber hinaus kann es die Effizienz einer Blockchain negativ beeinflussen. Mit Merkle-Bäumen werden jedoch alle Transaktionen effizient angeordnet, was zu einer Verwendung von weniger Daten für die Überprüfung und einer reduzierten CPU-Verarbeitung führt.

Verstehen, wie ein Merkle-Baum in einer Blockchain funktioniert

Hier ist ein einfaches Beispiel, um dieses Konzept zu verdeutlichen: 

Stellen Sie sich einen Datenblock wie den oben gezeigten vor, der 4 Transaktionen hat: L1, L2, L3 und L4. Um diese Transaktionen zu speichern, können wir das Konzept eines Merkle-Baums implementieren, indem wir den Hash jeder Transaktion berechnen. Nach Berechnungerhalten wir Hash L1, Hash L2, Hash L3 und Hash L4.

Diese Hashes jeder Transaktion werden in einem Knoten des Merkle-Baums gespeichert, der normalerweise als Blattknoten bezeichnet wird. Aber unsere Arbeit geht weiter, da wir Nichtblattknoten bilden müssen, indem wir Blattknoten paaren. Nach der Berechnung erhalten wir Hash 0 und Hash 1, die als übergeordnete Knoten oder Nicht-Blatt-Knoten der Hashes von L1, L2, L3 und L4 bezeichnet werden.

Schließlich wird der Hash von Hash 1 und Hash 2 berechnet, indem sie miteinander gepaart werden, und wir erreichen den Wurzelknoten, der die Merkle-Wurzel ist. Durch dieses Beispiel verstehen wir, dass Merkle-Bäume funktionieren, indem sie untergeordnete Knoten wiederholt hashen, bis ein einzelner Hash in der Struktur verbleibt.

Auf diese Weise sagt Ihnen der Merkle-Baum genau, ob eine Transaktion den Baum beeinflusst hat, indem er nur die Wurzel des Baums überprüft. Die Merkle-Wurzel wird im Block-Header gespeichert, was sie manipulationssicher macht und das Vertrauen und die Integrität innerhalb eines dezentralen Ledgers erhöht. Es ist wichtig zu beachten, dass Merkle-Bäume eine Einweg-Hash-Funktion verwenden und fortgesetzt würden, bis dieses Hashing den Beweis der Daten von den Daten trennt.

Die Notwendigkeit von Merkle-Bäumen für Blockchain

Nachdem wir nun besprochen haben, was ein Merkle-Baum ist und wie er funktioniert, müssen wir nur noch verstehen, warum er für die Blockchain wichtig ist. Die vielen Vorteile eines Merkle-Baums machen ihn zu einer Notwendigkeit für die Blockchain-Technologie und sogar Krypto-Plattformen. Einige dieser Vorteile sind:

Beim Übertragen, Berechnen und Durchlaufen von Daten sind Verzögerungen nicht zulässig. Aus diesem Grund verwenden viele Blockchains einen Merkle-Baum, um das Netzwerk frei von Verzögerungen bei der Datenübertragung zu halten. Durch die Reduzierung der Speichermenge, die zum Nachweis der Integrität und Gültigkeit von Daten erforderlich ist, werden Merkle-Bäume zu einem wesentlichen Bestandteil der Blockchain.

In der Bitcoin-Blockchain, bei der es sich um ein verteiltes P2P-Netzwerk handelt, kann es zu Inkonsistenzen oder sogar zur Manipulation von Daten kommen, da auf jedem mit dem P2P-Netzwerk verbundenen Computer dieselben Daten vorhanden sind. In diesem Fall macht es der Merkle-Baum Minern leicht, jede Art von Inkonsistenz oder Manipulation von Transaktionen zu erkennen.

Ohne die Verwendung dieses Konzepts müssen alle Daten über das gesamte Netzwerk übertragen werden, was zu einer Verlangsamung des Netzwerks, verringerter Effizienz und unnötigen Kosten führt. Ein solches Szenario kann mit Hilfe von Merkle-Bäumen vermieden werden, die eine schnelle Datenverifizierung mit praktischer Rechenleistung und Bandbreite ermöglichen.

Abschließende Gedanken

Merkle-Bäume klingen nach einem komplizierten Konzept, aber sie sind eine entscheidende Komponente der Blockchain-Technologie und Kryptowährungen. Ohne die Existenz dieses Konzepts gäbe es kein vertrauenswürdiges System, das bei Bitcoin, Ethereum und Mining verwendet wird.

Häufig gestellte Fragen:

Q1. Merkle-Bäume wurden entwickelt, um was zu erreichen?
Der Merkle-Baum wurde als Prozess zur Überprüfung von Daten entwickelt, damit Computer schneller arbeiten können.
Q2. Was ist die Verbindung zwischen dem Merkle-Baum und Ethereum?
Merkle Tree ist eine Art Blockchain-Struktur, die nicht nur hinter Ethereum, sondern auch hinter Bitcoin und dem Prozess des Krypto-Mining steht. Ethereum verwendet jedoch eine modifizierte Version des Merkle-Baums, der allgemein als Merkle-Patricia-Baum bekannt ist.
Q3. So implementieren Sie den Merkle-Baum
Um Merkle-Bäume zu implementieren, muss man mit Binärbäumen beginnen, bei denen jeder Nicht-Blatt-Knoten der Hash von zwei untergeordneten Knoten ist. Diese Blätter können entweder die Daten oder die enthalten Hash der Daten.
Q4. Was sind einige Vorteile des Merkle-Baums?
Als leichte Struktur, die die Skalierbarkeit innerhalb der Blockchain erhöht, kann der Merkle-Baum unnötige Daten entfernen und so die Effizienz verbessern. Sowohl Miner als auch Benutzer können vom Merkle-Baum profitieren, da er einzelne Teile von Blöcken verifiziert, Transaktionen anhand von Hashes überprüft und auch Hashes berechnet, während sie Transaktionen erhalten.