¿Qué es un árbol Merkle en Blockchain y cómo funciona?

Puntos clave:

• El Merkle tree es un tipo de árbol hash binario que tiene 3 tipos de nodos: nodos hoja, nodos no hoja y nodos raíz.
• Un árbol de Merkle es útil para la verificación y el mantenimiento de la integridad de las transacciones en cualquier libro mayor descentralizado.
• El árbol Merkle se ve tanto en Bitcoin como en Ethereum.

Introducción

Criptomonedas ya no son un tema desconocido, y tampoco lo es blockchain, la tecnología detrás de su origen. Para cualquier entusiasta de las criptomonedas, comprender las estructuras de la cadena de bloques y cómo funcionan es el primer paso para darse cuenta de la verdadera naturaleza de las criptomonedas.

Mientras que la comprensión de las diferentes estructuras de blockchain es donde entran en juego los árboles de Merkle. Desarrollado como un concepto en 1980 por Ralph Merkle de la Universidad de Stanford, el Merkle tree se usa comúnmente en redes peer-to-peer (P2P) para lidiar con los requisitos de espacio de memoria y potencia informática. No sería una exageración decir que los árboles de Merkle hicieron que la tecnología blockchain fuera un gran éxito. Entonces, profundicemos en el significado detrás del árbol de Merkle y cómo funciona.

https://www.youtube.com/watch?v=YIc6MNfv5iQ

Una descripción general del árbol de Merkle

En pocas palabras, un árbol de Merkle representa la forma en que se estructuran los datos con un propósito. Permite la verificación rápida y eficiente de una gran cantidad de información en una cadena de bloques. Como se mencionó anteriormente, Ralph Merkle, sin saberlo, lo creó como un concepto en un documento titulado "Una firma digital certificada". Pero nadie esperaba que se convirtiera en un componente importante de un libro mayor descentralizado en el futuro.

El árbol de Merkle ha mejorado el mundo de la criptografía desde sus inicios. Pero se volvió vital para las criptomonedas después de que el misterioso creador de Bitcoin lo utilizara en el código fundacional de BTC. Después de eso, Ethereum y otras criptomonedas también adoptaron árboles de Merkle.

En el caso de la red Bitcoin, los árboles de Merkle son un componente eficiente que utiliza hashes en lugar del archivo de información de gran tamaño para la verificación de datos. Un árbol de Merkle emplea una terminología descriptiva única para describir las relaciones entre los nodos y sus niveles.

Cada bloque individual dentro de la cadena de bloques contiene una serie de transacciones. Almacenar todas esas transacciones y encontrar qué transacciones en particular pertenecen a qué bloque pueden ser tareas frustrantemente costosas. Además, puede afectar negativamente la eficiencia de una cadena de bloques. Sin embargo, con los árboles de Merkle, todas las transacciones se organizan de manera eficiente, lo que da como resultado el uso de menos datos para la verificación y un procesamiento de CPU reducido.

Comprender cómo funciona un árbol de Merkle en una cadena de bloques

Aquí hay un ejemplo simple para aclarar este concepto: 

Imagine un bloque de datos como el que se muestra arriba que tiene 4 transacciones: L1, L2, L3 y L4. Para almacenar estas transacciones, podemos implementar el concepto de un árbol de Merkle calculando el hash de cada transacción. Después cálculo, recibimos Hash L1, Hash L2, Hash L3 y Hash L4.

Estos hashes de cada transacción se almacenan en un nodo, generalmente llamado nodo hoja, del árbol de Merkle. Pero nuestro trabajo continúa, ya que debemos formar nodos que no sean hojas emparejando nodos hoja. Después del cálculo, obtenemos Hash 0 y Hash 1, que se denominan nodos principales o nodos no hoja de los hash de L1, L2, L3 y L4.

Finalmente, el hash de Hash 1 y Hash 2 se calcula emparejándolos y llegamos al nodo raíz, que es la raíz de Merkle. A través de este ejemplo, entendemos que los árboles de Merkle funcionan mediante el hash de los nodos secundarios repetidamente hasta que queda un hash singular dentro de la estructura.

De esta forma, el árbol de Merkle le dice exactamente si una transacción ha influido en el árbol al verificar solo la raíz del árbol. Merkle root se almacena en el encabezado del bloque, lo que lo hace a prueba de manipulaciones y mejora la confianza y la integridad dentro de un libro mayor descentralizado. Es importante tener en cuenta que los árboles de Merkle utilizan una función hash unidireccional y continuarían hasta que este hash separara la prueba de datos de los datos.

La necesidad de árboles de Merkle para blockchain

Ahora que hemos discutido qué es un árbol de Merkle y cómo funciona, lo único que queda por hacer es entender por qué es importante para blockchain. Las muchas ventajas de un árbol Merkle lo convierten en una necesidad para la tecnología blockchain e incluso para las plataformas criptográficas. Algunos de estos beneficios son:

Cuando se trata de transferir, calcular y atravesar datos, no se permiten demoras. Esta es la razón por la que muchas cadenas de bloques utilizan un árbol Merkle para mantener la red libre de cualquier tipo de demora durante la transferencia de datos. Al reducir la cantidad de memoria necesaria para probar la integridad y la validez de los datos, los árboles de Merkle se convierten en una parte esencial de la cadena de bloques.

En la cadena de bloques de Bitcoin, que es un P2P distribuido, puede haber inconsistencias o incluso manipulación de datos porque los mismos datos existen en cada computadora conectada a la red P2P. En este caso, el árbol de Merkle facilita a los mineros la identificación de cualquier tipo de inconsistencia o alteración de las transacciones.

Sin el uso de este concepto, todos los datos deberán transferirse por toda la red, lo que provocará una ralentización de la red, una eficiencia reducida y gastos innecesarios. Este escenario se puede evitar con la ayuda de los árboles de Merkle, que permiten una rápida verificación de datos con potencia computacional y ancho de banda prácticos.

Reflexiones finales

Los árboles Merkle suenan como un concepto complicado, pero son un componente crucial de la tecnología blockchain y las criptomonedas. Sin la existencia de este concepto, no habría ningún sistema sin confianza utilizado en Bitcoin, Ethereum y minería.

Preguntas más frecuentes:

Q1. ¿Los árboles Merkle fueron diseñados para lograr qué?
El árbol Merkle fue diseñado como un proceso para verificar datos para permitir que las computadoras funcionen más rápido.
Q2. ¿Cuál es la conexión entre el árbol Merkle y Ethereum?
El árbol Merkle es un tipo de estructura de cadena de bloques que está detrás no solo de Ethereum sino también de Bitcoin y el proceso de criptominería. Sin embargo, Ethereum usa una versión modificada del árbol Merkle, comúnmente conocido como el árbol Merkle Patricia.
Q3. Cómo implementar el árbol de Merkle
Para implementar árboles de Merkle, se debe comenzar con árboles binarios, en los que cada nodo que no sea hoja es el hash de dos nodos secundarios. Estas hojas pueden contener los datos o el hash de los datos.
Q4. ¿Cuáles son algunos de los beneficios del árbol de Merkle?
Al ser una estructura ligera que aumenta la escalabilidad dentro de la cadena de bloques, el árbol de Merkle puede deshacerse de datos innecesarios y, por lo tanto, mejorar la eficiencia. Tanto los mineros como los usuarios pueden beneficiarse del árbol de Merkle, ya que verifica las partes individuales de los bloques, verifica las transacciones mediante hashes y también calcula los hashes mientras reciben transacciones.