شجرة ميركل

ما شجرة ميركل؟

شجرة ميركل هي بنية بيانات تشفيرية تنظّم عناصر بيانات كثيرة في شجرة من التجزئات.

في مجال العملات المشفرة، تساعد أشجار ميركل البلوكشينات على التحقق بكفاءة من المعاملات والأرصدة والحسابات وقيم التخزين ومطالبات Airdrop وقوائم السماح الخاصة بـ NFT ومجموعات البيانات الكبيرة الأخرى.

تُسمى شجرة ميركل أيضًا شجرة التجزئة، لأن كل مستوى فيها يُبنى من قيم تجزئة تشفيرية.

يحتوي المستوى السفلي على عناصر بيانات منفردة تُسمى الأوراق.

تُجزّأ كل ورقة، ثم تُقرن بتجزئة أخرى وتُجزّأ من جديد لإنشاء المستوى التالي.

تستمر هذه العملية حتى تبقى تجزئة نهائية واحدة في الأعلى.

تُسمى هذه التجزئة النهائية جذر ميركل.

يوضح دليل مطوري Bitcoin أن تجزئات المعاملات تُقرن وتُجزّأ مرارًا حتى يبقى جذر ميركل واحد في ترويسة الكتلة.

الفكرة الأساسية بسيطة: يمكن لجذر صغير واحد أن يمثل مجموعة بيانات كبيرة.

إذا تغير أي عنصر في مجموعة البيانات، تتغير التجزئات التي تعلوه أيضًا، مما يؤدي إلى تغير جذر ميركل.

كيفية عمل شجرة ميركل

تبدأ شجرة ميركل ببيانات خام مثل المعاملات أو عناوين المحافظ أو سجلات الحسابات أو سجلات المطالبات.

تُعالَج كل وحدة عبر دالة تجزئة تشفيرية لإنشاء تجزئة ورقة.

تُجمع تجزئتا ورقتين وتُجزّآن معًا لإنشاء تجزئة أصل.

ثم تُقرن تجزئات الأصل وتُجزّأ من جديد لإنشاء تجزئات المستويات الأعلى.

تستمر العملية حتى تبقى تجزئة واحدة فقط.

هذه التجزئة النهائية هي جذر ميركل.

يعمل جذر ميركل كبصمة موجزة لمجموعة البيانات كاملة.

إذا لم تتغير البيانات، فمن المفترض أن تنتج طريقة بناء الشجرة نفسها الجذر نفسه.

أما إذا تغيرت معاملة أو عنوان أو رصيد أو مبلغ مطالبة، فمن المفترض أن يتغير الجذر النهائي أيضًا.

أهمية أشجار ميركل في العملات المشفرة

تكتسب أشجار ميركل أهميتها لأن البلوكشينات تحتاج إلى التحقق من كميات كبيرة من البيانات من دون مطالبة كل مستخدم بمعالجة كل شيء طوال الوقت.

قد تحتوي كتلة البلوكشين على معاملات كثيرة.

وقد يشمل إيردروب التوكنات آلاف المحافظ المؤهلة أو ملايينها.

وقد تضم قاعدة بيانات حالة البلوكشين حسابات وأرصدة وتخزين عقود وشيفرات.

تتيح أشجار ميركل للأنظمة الالتزام بمجموعات بيانات كبيرة عبر جذر واحد، مع إبقاء إمكانية التحقق من العناصر الفردية لاحقًا.

وهذا يعزز الكفاءة وقابلية التوسع وسلامة البيانات.

كما يقلل متطلبات التخزين والنطاق الترددي في كثير من تطبيقات العملات المشفرة.

ومن دون أشجار ميركل أو هياكل بيانات موثقة مشابهة، ستكون مهام التحقق في كثير من تطبيقات البلوكشين أبطأ وأثقل وأكثر تكلفة.

جذر ميركل

جذر ميركل هو التجزئة النهائية في أعلى شجرة ميركل.

وهو يمثل جميع البيانات الموجودة أسفله.

في كتلة البلوكشين، يمكن لجذر ميركل تلخيص جميع المعاملات المدرجة في تلك الكتلة.

وفي عقد Airdrop، يمكن لجذر ميركل تلخيص جميع عناوين المحافظ المؤهلة ومبالغ المطالبات.

وفي شجرة الحالة، يمكن للجذر تلخيص حسابات أو قيم تخزين كثيرة.

لا يكشف الجذر مجموعة البيانات كاملة بمفرده.

بل يعمل كالتزام تشفيري بتلك المجموعة.

وما زال المستخدم بحاجة إلى الإثبات المناسب وقواعد التحقق الصحيحة للتأكد من أن عنصرًا معينًا ينتمي إلى الشجرة.

أوراق شجرة ميركل وفروعها

الأوراق هي التجزئات الموجودة في المستوى السفلي من شجرة ميركل.

تمثل كل ورقة عادةً عنصرًا واحدًا من البيانات.

فعلى سبيل المثال، قد تمثل الورقة تجزئة معاملة أو عنوان محفظة أو سجل مطالبة أو إذن سك NFT أو قيمة حساب.

أما الفروع فهي التجزئات الوسيطة بين الأوراق والجذر.

تربط الفروع الأوراق الفردية بجذر ميركل النهائي.

يستخدم إثبات ميركل تجزئات الفروع هذه لإثبات أن ورقة واحدة تنتمي إلى الشجرة.

يتيح هذا التصميم التحقق من دون عرض كل الأوراق الأخرى أو تنزيلها.

إثباتات شجرة ميركل

إثبات شجرة ميركل هو مجموعة التجزئات المجاورة اللازمة لإثبات أن ورقة تنتمي إلى شجرة ذات جذر معروف.

يبدأ المدقق بالورقة المستهدفة ويجمعها مع تجزئات الإثبات بالترتيب الصحيح.

إذا تطابقت التجزئة النهائية المحسوبة مع الجذر الموثوق، يكون الإثبات صالحًا.

وإذا لم تتطابق معه، يكون الإثبات غير صالح.

توضح وثائق OpenZeppelin MerkleProof أدوات العقود الذكية للتحقق مما إذا كان من الممكن إثبات أن ورقة جزء من شجرة ميركل يحددها جذر.

ولهذا تُعد أشجار ميركل مفيدة لقوائم السماح والمطالبات والمكافآت والتحقق من الوصول على السلسلة.

أشجار ميركل في Bitcoin

تستخدم Bitcoin أشجار ميركل لتنظيم المعاملات داخل الكتل.

تُجزّأ كل معاملة، ثم تُقرن تجزئات المعاملات وتُجزّأ صعودًا حتى يُنتج جذر ميركل واحد.

يُخزّن جذر ميركل في ترويسة الكتلة.

يساعد ذلك عقد Bitcoin على اكتشاف ما إذا كانت بيانات المعاملات قد تغيرت.

كما يدعم التحقق الخفيف من المعاملات.

يمكن لعميل خفيف استخدام إثبات ميركل للتحقق من إدراج معاملة في كتلة من دون تنزيل كل معاملة فيها.

وهذا يدعم التحقق المبسط من المدفوعات، المعروف غالبًا باسم SPV.

يكون SPV أقل شمولًا من التحقق باستخدام عقدة كاملة، لكنه أكثر كفاءة للأجهزة والمحافظ محدودة الموارد.

أشجار ميركل في Ethereum

تستخدم Ethereum بنية بيانات موثقة ذات صلة تُسمى شجرة Merkle Patricia.

توضح وثائق Ethereum حول شجرة Merkle Patricia أن بنية Ethereum حتمية ويمكن التحقق منها تشفيريًا.

تساعد هذه البنية Ethereum على تمثيل حالة الحسابات والتخزين وبيانات المفتاح والقيمة الأخرى.

إذا تغيرت الحالة، يتغير جذر الحالة.

وهذا يتيح لعملاء Ethereum وتطبيقاتها التحقق من بيانات الحالة مقابل جذر معروف.

ويصف معيار EIP-1186 eth_getProof طريقة RPC للحصول على إثباتات ميركل لحسابات Ethereum وقيم التخزين.

لا تتطابق بنية Ethereum مع شجرة ميركل ثنائية بسيطة، لكنها تستخدم الفكرة الأساسية نفسها، وهي التحقق عبر روابط التجزئة.

أشجار ميركل في إيردروبات التوكنات

تستخدم إيردروبات العملات المشفرة أشجار ميركل غالبًا لإدارة قوائم المطالبات الكبيرة.

قد ينشئ المشروع قائمة بعناوين المحافظ المؤهلة ومبالغ التوكنات.

ويصبح كل زوج من العنوان والمبلغ ورقة في شجرة ميركل.

ولا يخزن المشروع في العقد الذكي سوى جذر ميركل.

عندما يطالب المستخدم بإيردروب، يرسل إثبات ميركل.

يتحقق العقد من أن المحفظة والمبلغ ينتميان إلى الشجرة التي يمثلها الجذر المخزن.

يوفر ذلك رسوم الغاز، لأن العقد لا يحتاج إلى تخزين كل محفظة مؤهلة مباشرةً على السلسلة.

كما يجعل حملات المطالبات الكبيرة أكثر قابلية للتطبيق.

أشجار ميركل في قوائم السماح الخاصة بـ NFT

تستخدم مشاريع NFT أشجار ميركل غالبًا لقوائم السماح والبيع المسبق وإتاحة السك المبكر.

بدلًا من تخزين كل عنوان محفظة معتمد في العقد، يخزن المشروع جذر ميركل واحدًا.

تحصل كل محفظة معتمدة على إثبات يبيّن أنها تنتمي إلى قائمة السماح.

أثناء السك، يتحقق العقد الذكي من الإثبات بمقارنته بالجذر المخزن.

إذا كان الإثبات صالحًا، يمكن للمحفظة السك وفق قواعد قائمة السماح.

يمكن أن يقلل ذلك تكاليف التخزين على السلسلة ويجعل التحقق من قائمة السماح أكثر كفاءة.

ومع ذلك، ينبغي للمستخدمين التأكد من أن صفحة السك وعنوان العقد وجذر ميركل صادرة عن مصادر رسمية.

أشجار ميركل في العملاء الخفيفين

تستخدم العملاء الخفيفون طرق تحقق موجزة لتقليل كمية بيانات البلوكشين التي يتعين عليهم تنزيلها.

تساعد أشجار ميركل العملاء الخفيفين على التحقق من معاملات محددة أو بيانات حالة مقابل ترويسات كتل أو جذور موثوقة.

وهذا مفيد لمحافظ الهواتف المحمولة والمتصفحات والأجهزة ذات سعة التخزين أو النطاق الترددي المحدودة.

لا يوفر العميل الخفيف نموذج الأمان نفسه الذي توفره عقدة تتحقق من جميع البيانات.

ومع ذلك، قد يكون التحقق القائم على ميركل أقوى من الوثوق بمزود بيانات واحد بصورة عمياء.

وهذا يجعل أشجار ميركل عنصرًا أساسيًا لبنية تحتية للعملات المشفرة أكثر سهولة في الوصول.

أشجار ميركل في ألعاب البلوكشين وتطبيقات الميتافيرس

يمكن لألعاب البلوكشين وتطبيقات الميتافيرس استخدام أشجار ميركل للتحقق من قوائم كبيرة للأصول أو المكافآت أو اللاعبين أو الأذونات.

قد تستخدم لعبة جذر ميركل للالتزام بأهلية الحصول على مكافآت موسم معين.

وقد يستخدم تطبيق ميتافيرس جذر ميركل للتحقق من مطالبات شارات الفعاليات أو أذونات الأراضي الافتراضية.

وقد يستخدم مشروع NFT شجرة ميركل لإدارة كشف السمات أو الوصول عبر القائمة البيضاء.

يتيح ذلك للتطبيقات الاحتفاظ بمجموعات بيانات كبيرة خارج السلسلة مع الاستمرار في التحقق من إدخالات محددة على السلسلة.

وقد يؤدي ذلك إلى خفض التكلفة وتحسين قابلية التوسع.

لكن المفاضلة تكمن في ضرورة أن تكون عملية بناء الشجرة خارج السلسلة شفافة وصحيحة.

أشجار ميركل وسلامة البيانات

تحمي أشجار ميركل سلامة البيانات بجعل التغييرات سهلة الاكتشاف.

إذا تغيرت ورقة، تتغير تجزئتها.

ويؤثر ذلك في تجزئة الأصل، ثم تجزئة الأصل التالية، إلى أن يصل التغيير إلى جذر ميركل.

وهذا يعني أن المدقق يستطيع مقارنة الجذور لاكتشاف ما إذا كانت مجموعة البيانات هي نفسها.

لا تمنع أشجار ميركل أي شخص من إنشاء مجموعة بيانات زائفة.

لكنها تساعد على إثبات ما إذا كانت البيانات تطابق جذرًا معينًا تم الالتزام به.

لذلك يجب أن يأتي الجذر من مصدر موثوق أو تم التحقق منه عبر الإجماع.

شجرة ميركل مقابل قائمة التجزئات

قائمة التجزئات هي قائمة بسيطة من قيم التجزئة.

أما شجرة ميركل فهي بنية منظمة من التجزئات تدعم إثباتات موجزة.

قد يتطلب التحقق من عنصر واحد باستخدام قائمة التجزئات بيانات أكثر من القائمة كاملة.

أما في شجرة ميركل، فعادةً ما يحتاج المدقق إلى الورقة المستهدفة وعدد قليل من التجزئات المجاورة فقط.

وهذا يجعل أشجار ميركل أكثر كفاءة لمجموعات البيانات الكبيرة.

وتزداد أهمية ميزة الكفاءة كلما كبرت مجموعة البيانات.

شجرة ميركل مقابل شجرة Merkle Patricia

شجرة ميركل هي بنية بيانات عامة قائمة على شجرة التجزئة.

أما شجرة Merkle Patricia فهي بنية أكثر تخصصًا للبيانات التي تتخذ شكل مفتاح وقيمة.

تستخدم Ethereum نسخة معدلة من شجرة Merkle Patricia لتخزين الحالة والتحقق منها بكفاءة.

غالبًا ما تُستخدم شجرة ميركل البسيطة للتحقق من إدراج المعاملات وقوائم السماح الخاصة بـ NFT ومطالبات Airdrop.

وتناسب Trie عمليات البحث عن البيانات باستخدام المفاتيح، مثل عناوين الحسابات أو خانات التخزين.

تستخدم البنيتان التجزئات التشفيرية لكشف العبث بالبيانات.

شجرة ميركل مقابل شجرة Verkle

شجرة Verkle هي بنية بيانات موثقة أحدث تستخدم التزامات المتجهات بدلًا من الاعتماد على أزواج التجزئات فقط.

غالبًا ما تُناقش أشجار Verkle بوصفها تحسينًا مستقبليًا لأنظمة حالة البلوكشين، إذ يمكنها جعل بعض الإثباتات أصغر حجمًا.

وتشير وثائق Ethereum إلى أن Ethereum تخطط للانتقال مستقبلًا من بنية شجرة Merkle Patricia الحالية إلى بنية شجرة Verkle.

لكن هذا لا يجعل أشجار ميركل قديمة أو غير صالحة للاستخدام.

فهي لا تزال مستخدمة على نطاق واسع لبساطتها وموثوقيتها وشيوع فهمها.

ولا تزال أشجار ميركل عملية وفعالة في كثير من حالات الاستخدام، مثل إيردروبات التوكنات وقوائم السماح.

فوائد أشجار ميركل

الفائدة الأولى هي كفاءة التحقق.

يمكن للمستخدمين التحقق من عنصر واحد من دون تنزيل مجموعة البيانات كاملة.

الفائدة الثانية هي سلامة البيانات.

يؤدي أي تغيير في البيانات الأساسية إلى تغيير التجزئات التي تعلوها.

الفائدة الثالثة هي خفض تكلفة التخزين على السلسلة.

يمكن للعقود الذكية تخزين جذر واحد بدلًا من سجلات فردية كثيرة.

الفائدة الرابعة هي قابلية التوسع.

يمكن تمثيل مجموعات بيانات كبيرة بجذر موجز واحد.

الفائدة الخامسة هي الخصوصية الجزئية.

يمكن للمستخدم إثبات الإدراج من دون كشف كل العناصر الأخرى في مجموعة البيانات.

مخاطر أشجار ميركل وقيودها

الخطر الأول هو استخدام جذر غير موثوق.

لا يثبت إثبات ميركل سوى الإدراج في مجموعة البيانات التي يمثلها ذلك الجذر؛ لذا يجب الوثوق بالجذر أو التحقق منه.

الخطر الثاني هو بناء الشجرة بطريقة غير صحيحة.

إذا استخدم المشروع طريقة تجزئة أو ترميز أو ترتيب أو صيغة أوراق خاطئة، فقد تفشل الإثباتات أو تصبح غير آمنة.

الخطر الثالث هو أخطاء إعادة الاستخدام أو المطالبات المزدوجة.

يجب على عقود المطالبات تتبع ما إذا كانت المحفظة قد استخدمت إثباتها من قبل، عندما ينبغي أن تتم المطالبة مرة واحدة فقط.

الخطر الرابع هو التصيد الاحتيالي.

قد ينشئ المحتالون مواقع مطالبة مزيفة تتظاهر باستخدام إثباتات ميركل، لكنها تطلب من المستخدمين توقيع معاملات ضارة.

الخطر الخامس هو سوء الفهم.

تثبت شجرة ميركل إدراج البيانات، لكنها لا تثبت أن المشروع نزيه أو ذو قيمة أو آمن.

كيفية تقييم نظام شجرة ميركل

ابدأ بالتحقق من أن جذر ميركل صادر عن مصدر رسمي أو تم التحقق منه عبر الإجماع.

راجع طريقة ترميز الأوراق.

تحقق من دالة التجزئة المستخدمة.

تأكد مما إذا كانت الشجرة ترتب الأزواج أو تستخدم ترتيبًا ثابتًا من اليسار إلى اليمين.

تحقق مما إذا كانت أدوات رسمية أو شيفرة مفتوحة المصدر تُستخدم لإنشاء الإثباتات.

في العقود الذكية، راجع دالة التحقق من الإثبات ومنطق تتبع المطالبات.

في إيردروبات التوكنات وقوائم السماح الخاصة بـ NFT، تحقق من عنوان العقد الرسمي قبل تقديم إثبات أو توقيع معاملة.

ينبغي لنظام شجرة ميركل المصمم جيدًا أن يوضح الجذر والقواعد وعملية التحقق.

مفاهيم خاطئة شائعة حول أشجار ميركل

من المفاهيم الخاطئة الشائعة أن شجرة ميركل تخزن كل البيانات على السلسلة.

في كثير من تطبيقات العملات المشفرة، لا يُخزّن على السلسلة سوى جذر ميركل، بينما تُنشأ مجموعة البيانات كاملة وتُخزّن خارج السلسلة.

ومن المفاهيم الخاطئة الأخرى أن جذر ميركل يكشف مجموعة البيانات كاملة.

فالجذر مجرد التزام تجزئة ولا يعرض كل الأوراق بمفرده.

والفكرة الخاطئة الثالثة هي أن إثبات ميركل صالح يثبت استحقاق المستخدم للمكافأة من الناحية الأخلاقية أو القانونية.

إنما يثبت فقط أن البيانات المقدمة مدرجة في مجموعة البيانات التي يمثلها الجذر.

والفكرة الخاطئة الرابعة هي أن جميع أشجار ميركل تُبنى بالطريقة نفسها.

قد تستخدم الأنظمة المختلفة دوال تجزئة وطرق ترميز وقواعد ترتيب وهياكل أشجار مختلفة.

الأسئلة الشائعة

ما شجرة ميركل ببساطة؟

شجرة ميركل هي شجرة من التجزئات تتيح للمستخدمين التحقق من عنصر واحد ضمن مجموعة بيانات كبيرة باستخدام إثبات صغير.

ما جذر ميركل؟

جذر ميركل هو التجزئة النهائية في أعلى شجرة ميركل، ويعمل كبصمة موجزة لمجموعة البيانات كاملة.

لماذا تستخدم البلوكشينات أشجار ميركل؟

تستخدم البلوكشينات أشجار ميركل للتحقق من مجموعات البيانات الكبيرة بكفاءة، وتقليل متطلبات البيانات، واكتشاف التغييرات في بيانات المعاملات أو الحالة.

كيف تستخدم Bitcoin أشجار ميركل؟

تستخدم Bitcoin أشجار ميركل لتلخيص المعاملات داخل الكتل، ويُخزّن جذر ميركل في ترويسة الكتلة.

كيف تستخدم Ethereum هياكل ميركل؟

تستخدم Ethereum شجرة Merkle Patricia معدلة لتخزين حالة الحسابات وبيانات تخزين العقود والتحقق منها.

ما إثبات شجرة ميركل؟

إثبات شجرة ميركل هو مجموعة من التجزئات المجاورة تثبت أن ورقة محددة تنتمي إلى شجرة ذات جذر ميركل معروف.

كيف تُستخدم أشجار ميركل في إيردروبات التوكنات؟

يمكن لعقود Airdrop تخزين جذر ميركل واحد والتحقق من مطالبات المستخدمين بإثباتات ميركل، بدلًا من تخزين كل محفظة مؤهلة على السلسلة.

كيف تُستخدم أشجار ميركل في قوائم السماح الخاصة بـ NFT؟

يمكن لمشاريع NFT استخدام جذر ميركل لتمثيل المحافظ المعتمدة والتحقق من كل محفظة بإثبات أثناء السك.

هل توفر أشجار ميركل الخصوصية؟

قد توفر أشجار ميركل خصوصية جزئية، إذ يمكن للمستخدمين إثبات الإدراج من دون كشف مجموعة البيانات بأكملها.

هل أشجار ميركل هي نفسها إثباتات المعرفة الصفرية؟

لا. تثبت أشجار ميركل إدراج البيانات في مجموعة ملتزم بها، بينما يمكن لإثباتات المعرفة الصفرية إثبات عبارات أوسع من دون كشف المدخلات الخاصة.

الخاتمة

شجرة ميركل هي بنية بيانات أساسية في عالم العملات المشفرة، تجعل التحقق من مجموعات البيانات الكبيرة أسهل.

فهي تحول عناصر بيانات كثيرة إلى شجرة من التجزئات، وتنتج جذر ميركل نهائيًا واحدًا.

يمكن لذلك الجذر أن يمثل معاملات أو أرصدة أو عناوين أو مطالبات أو قيم تخزين أو بيانات أخرى على البلوكشين.

تكتسب أشجار ميركل أهميتها لأنها تدعم التحقق بكفاءة وخفض تكاليف التخزين وسلامة البيانات والعملاء الخفيفين وإيردروبات التوكنات وقوائم السماح الخاصة بـ NFT وإثباتات حالة البلوكشين.

تستخدم Bitcoin أشجار ميركل لتلخيص المعاملات داخل الكتل.

وتستخدم Ethereum بنية ذات صلة تُسمى شجرة Merkle Patricia لحالة الحسابات والتخزين.

تستخدم تطبيقات العملات المشفرة أشجار ميركل كلما احتاجت إلى إثبات انتماء عنصر واحد إلى مجموعة بيانات كبيرة من دون وضع المجموعة كاملة على السلسلة.

تتميز أشجار ميركل بفاعليتها، لكنها تعتمد على صحة التجزئة والترميز الآمن والجذور الموثوقة والتحقق الآمن من الإثباتات.

وعند استخدامها على نحو جيد، تجعل أنظمة العملات المشفرة أخف وأقل تكلفة وأسهل في التحقق.