إثبات شجرة ميركل

ما إثبات شجرة ميركل؟

إثبات شجرة ميركل هو إثبات تشفيري يبيّن أن جزءًا محددًا من البيانات ينتمي إلى مجموعة بيانات أكبر، من دون كشف المجموعة كاملة أو تنزيلها.

في مجال العملات المشفرة، يُستخدم إثبات شجرة ميركل غالبًا لإثبات إدراج معاملة أو حساب أو رصيد أو قيمة تخزين أو مطالبة NFT أو عنوان محفظة ضمن مجموعة بيانات تم التحقق منها.

يعتمد هذا الإثبات على قيم التجزئة في شجرة ميركل، التي تُعرف أيضًا باسم شجرة التجزئة.

تأخذ شجرة ميركل عناصر بيانات متعددة، وتحولها إلى تجزئات تمثل الأوراق، ثم تجمع التجزئات في أزواج وتواصل تجزئتها صعودًا حتى تبقى تجزئة نهائية واحدة.

تُسمى هذه التجزئة النهائية جذر ميركل.

إذا كان جذر ميركل موثوقًا، يمكن للمستخدم التحقق من عنصر واحد باستخدام إثبات صغير فقط، بدلًا من فحص مجموعة البيانات بأكملها.

يوضح دليل مطوري Bitcoin أن أشجار ميركل تتيح للعملاء التحقق من إدراج معاملة في كتلة، باستخدام جذر ميركل الموجود في ترويسة الكتلة والتجزئات الوسيطة التي يوفرها أحد الأقران.

وهذا ما يجعل إثباتات شجرة ميركل مهمة لكفاءة البلوكشين والعملاء الخفيفين وإيردروبات التوكنات وقوائم السماح الخاصة بـ NFT والجسور وإثباتات الحالة والتحقق من البيانات.

كيفية عمل شجرة ميركل

تبدأ شجرة ميركل بعناصر بيانات منفردة في أسفل الشجرة.

تُسمى هذه العناصر السفلية الأوراق.

في البلوكشين، قد تمثل كل ورقة تجزئة معاملة أو سجل حساب أو قيمة تخزين أو عنوان محفظة أو سجل مطالبة.

تُجزّأ كل ورقة باستخدام دالة تجزئة تشفيرية.

ثم تُجمع التجزئات في أزواج وتُجزّأ من جديد.

تتكرر هذه العملية مستوى بعد مستوى حتى تنتج الشجرة تجزئة واحدة في أعلاها.

تُسمى التجزئة العليا جذر ميركل.

إذا تغيرت أي ورقة، تتغير تجزئتها.

وينتقل هذا التغيير إلى أعلى الشجرة، فيؤدي إلى تغير جذر ميركل.

لذلك يمكن أن يعمل جذر ميركل كبصمة موجزة لمجموعة بيانات كبيرة.

كيفية عمل إثبات شجرة ميركل

يثبت إثبات شجرة ميركل أن ورقة محددة تنتمي إلى شجرة ميركل ذات جذر معروف.

يتضمن الإثبات عادةً تجزئات الأوراق المجاورة اللازمة لإعادة بناء المسار من الورقة إلى الجذر.

يبدأ المدقق بتجزئة الورقة.

ثم يجمعها مع أول تجزئة مجاورة ويُجزّئ الزوج.

بعدها يجمع الناتج مع التجزئة المجاورة التالية ويُجزّئه من جديد.

تستمر هذه العملية حتى يحسب المدقق جذرًا نهائيًا.

إذا تطابق الجذر المحسوب مع جذر ميركل الموثوق، يكون الإثبات صالحًا.

أما إذا لم يتطابق الجذران، فيكون الإثبات غير صالح.

يتيح ذلك التحقق من دون كشف كل ورقة في الشجرة.

مثال مبسط على إثبات شجرة ميركل

لنفترض وجود قائمة سماح خاصة بـ NFT تضم أربعة عناوين محافظ.

يُحوَّل كل عنوان إلى تجزئة تمثل ورقة.

تُجزّأ الورقتان A وB معًا لإنشاء تجزئة أصل.

وتُجزّأ الورقتان C وD معًا لإنشاء تجزئة أصل أخرى.

ثم تُجزّأ تجزئتا الأصل معًا لإنشاء جذر ميركل.

إذا أرادت المحفظة A إثبات إدراجها في قائمة السماح، فلا حاجة إلى كشف القائمة كاملة.

يكفي أن تقدم الورقة الخاصة بها والتجزئات المجاورة اللازمة لإعادة بناء جذر ميركل.

يمكن للعقد الذكي التحقق من الإثبات والسماح للمحفظة بالمطالبة أو السك إذا تطابق الإثبات مع الجذر المخزن.

أهمية إثباتات شجرة ميركل في العملات المشفرة

تكتسب إثباتات شجرة ميركل أهميتها لأن البلوكشين يحتاج إلى طرق فعالة للتحقق من كميات كبيرة من البيانات.

من دون إثباتات ميركل، قد يحتاج المستخدمون والتطبيقات إلى تنزيل معلومات أكثر بكثير أو الوثوق بها.

يجعل إثبات ميركل عملية التحقق أصغر وأسرع وأكثر قابلية للتطبيق.

ويكون ذلك مفيدًا على وجه الخصوص عندما تكون سعة التخزين أو النطاق الترددي أو رسوم الغاز أو موارد الجهاز محدودة.

يمكن للمحافظ الخفيفة استخدام الإثباتات للتحقق من البيانات من دون تشغيل عقدة كاملة.

ويمكن للعقود الذكية استخدام الإثباتات للتحقق من قوائم السماح من دون تخزين آلاف العناوين على السلسلة.

كما يمكن للجسور وأنظمة Cross-chain استخدام الإثباتات للتحقق من الأحداث أو الحالة على شبكة أخرى.

ويمكن لأنظمة إتاحة البيانات وRollup استخدام التزامات قائمة على ميركل للمساعدة في إثبات أن البيانات تنتمي إلى بنية أكبر ملتزم بها.

إثباتات شجرة ميركل في Bitcoin

تستخدم Bitcoin أشجار ميركل لتلخيص المعاملات داخل الكتلة.

يُدرج جذر ميركل في ترويسة الكتلة.

يمكن لعميل خفيف التحقق من إدراج معاملة في كتلة عبر مقارنة إثبات ميركل بجذر ميركل الخاص بالكتلة.

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

يتيح SPV للمحفظة أو العميل التحقق من إدراج المعاملة من دون تنزيل كل كتلة كاملة.

لكن هذا لا يعني أن العميل يتحقق من كل ما تتحقق منه العقدة الكاملة.

بل يعني أن العميل يستطيع التحقق من الإدراج بكفاءة أكبر بالاعتماد على ترويسات الكتل وبيانات الإثبات.

إثباتات شجرة ميركل في Ethereum

تستخدم Ethereum هياكل بيانات موثقة قائمة على ميركل للتحقق من الحسابات والتخزين.

توضح وثائق Ethereum حول أشجار Merkle Patricia أن Ethereum تستخدم هياكل شجرية مترابطة بالتجزئة التشفيرية لتوفير ضمانات سلامة البيانات المخزنة.

يمكن لإثباتات Ethereum أن تُظهر أن حسابًا أو قيمة تخزين تنتمي إلى جذر حالة محدد.

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

يفيد هذا النوع من الإثباتات عندما يريد تطبيق التحقق من حالة حساب من دون الوثوق بمزود بيانات بصورة عمياء.

أنظمة الإثبات في Ethereum أكثر تعقيدًا من شجرة ميركل ثنائية بسيطة، لأن حالة Ethereum مخزنة في هياكل قائمة على Trie.

لكن الفكرة الأساسية متشابهة: يمكن لإثبات صغير التحقق من جزء من البيانات مقابل جذر موثوق.

إثباتات شجرة ميركل في قوائم السماح الخاصة بـ NFT

تستخدم مشاريع NFT إثباتات شجرة ميركل غالبًا لقوائم السماح والبيع المسبق.

بدلًا من تخزين كل عنوان محفظة معتمد مباشرةً في عقد ذكي، يخزن المشروع جذر ميركل واحدًا.

يحصل كل مستخدم معتمد على إثبات يبيّن أن عنوان محفظته جزء من شجرة قائمة السماح.

عندما يطالب المستخدم بالتوكن أو يسكّه، يتحقق العقد الذكي من الإثبات بمقارنته بالجذر المخزن.

يمكن أن يقلل ذلك تكاليف التخزين على السلسلة، لأن تخزين جذر واحد أرخص بكثير من تخزين آلاف العناوين.

وقد يعزز الخصوصية أيضًا، إذ لا حاجة إلى وضع قائمة السماح كاملة مباشرةً داخل العقد.

ومع ذلك، ينبغي للمستخدمين التحقق من أن المشروع الرسمي أنشأ الجذر، ومن أن صفحة المطالبة ليست موقعًا للتصيد الاحتيالي.

إثباتات شجرة ميركل في إيردروبات التوكنات

تستخدم حملات Airdrop إثباتات شجرة ميركل غالبًا للتحقق من أهلية المستخدمين للمطالبة بالتوكنات.

ينشئ المشروع مجموعة بيانات لعناوين المحافظ المؤهلة ومبالغ المطالبات.

يصبح كل سجل مطالبة ورقة في شجرة ميركل.

ويخزن العقد الذكي جذر ميركل.

عندما يقدم المستخدم مطالبة، يرسل عنوانه ومبلغ المطالبة والإثبات.

يتحقق العقد مما إذا كان الإثبات يتطابق مع الجذر المخزن.

إذا كان الإثبات صالحًا ولم يسبق للمحفظة تقديم مطالبة، يمكن للعقد إتاحة التوكنات.

يساعد هذا التصميم المشاريع على إدارة إيردروبات كبيرة من دون تخزين كل سجل مطالبة مباشرةً على السلسلة.

إثباتات شجرة ميركل في العملاء الخفيفين

العميل الخفيف هو محفظة أو عقدة تتحقق من بيانات البلوكشين من دون تنزيل جميع بيانات البلوكشين الكاملة ومعالجتها.

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

وتوضح وثائق Ethereum حول العملاء الخفيفين أنها تتيح للمستخدمين التحقق من البيانات الواردة باستخدام جزء صغير فقط من الموارد التي تحتاج إليها العقد الكاملة.

وهذا مهم للأجهزة المحمولة والمتصفحات والأنظمة المضمنة والمستخدمين ذوي النطاق الترددي المحدود.

العملاء الخفيفون ليسوا مثل العقد الكاملة.

فهم يتحققون من بيانات أقل، لكنهم قد يعززون الثقة مقارنة بالاعتماد الكامل على مزود بيانات مركزي.

إثباتات شجرة ميركل في العقود الذكية

يمكن للعقود الذكية التحقق من إثباتات شجرة ميركل مباشرةً على السلسلة.

يفيد ذلك عندما يحتاج العقد إلى التحقق من العضوية في مجموعة بيانات كبيرة.

توفر وثائق OpenZeppelin MerkleProof أدوات للتحقق من إثباتات ميركل في العقود الذكية.

ومن الأنماط الشائعة في العقود تخزين جذر ميركل والتحقق من الإثباتات التي يقدمها المستخدمون عند المطالبة أو السك أو الحصول على المكافآت أو التحقق من الوصول.

يؤدي ذلك إلى الاستغناء عن تخزين كل عنوان أو سجل مؤهل داخل العقد.

وتتمثل المفاضلة الأساسية في ضرورة إنشاء الإثبات بصورة صحيحة خارج السلسلة.

إذا كان بناء الشجرة أو أسلوب التجزئة أو قاعدة الترتيب أو ترميز الأوراق غير صحيح، فقد يفشل التحقق للمستخدمين المؤهلين أو تنجح إثباتات غير صالحة في أنظمة سيئة التصميم.

إثبات شجرة ميركل مقابل جذر ميركل

جذر ميركل هو التجزئة النهائية التي تمثل الشجرة بأكملها.

أما إثبات شجرة ميركل فهو مجموعة التجزئات والبيانات ذات الصلة المستخدمة لإثبات أن ورقة واحدة تنتمي إلى الشجرة.

يمكن تشبيه الجذر ببصمة مجموعة البيانات بأكملها.

أما الإثبات فهو الدليل الذي يربط عنصرًا واحدًا بهذه البصمة.

لا يكشف الجذر وحده كل البيانات الموجودة في الشجرة.

ولا يكون الإثبات وحده مفيدًا ما لم يكن لدى المدقق جذر موثوق يقارنه به.

يلزم كلاهما لإجراء التحقق.

إثبات شجرة ميركل مقابل إثبات المعرفة الصفرية

إثبات شجرة ميركل وإثبات المعرفة الصفرية أداتان تشفيريتان مختلفتان.

يثبت إثبات ميركل أن عنصرًا محددًا مدرج في مجموعة بيانات ملتزم بها.

أما إثبات المعرفة الصفرية فيمكنه إثبات صحة عبارة من دون كشف المعلومات الخاصة الأساسية.

عادةً ما تكون إثباتات ميركل أبسط وأقل تكلفة وأسهل في التحقق من كثير من إثباتات المعرفة الصفرية.

ويمكن لإثباتات المعرفة الصفرية دعم حالات استخدام أكثر تعقيدًا في الخصوصية والحوسبة.

وفي بعض الأنظمة، تُستخدم إثباتات ميركل وإثباتات المعرفة الصفرية معًا.

فعلى سبيل المثال، قد تتحقق دائرة معرفة صفرية من إثبات إدراج في شجرة ميركل بصورة خاصة.

إثبات شجرة ميركل مقابل إثبات التخزين

غالبًا ما يكون إثبات التخزين نوعًا من الإثباتات القائمة على ميركل للتحقق من قيمة مخزنة في حالة البلوكشين.

فعلى سبيل المثال، قد يبيّن إثبات تخزين في Ethereum أن خانة تخزين في عقد ذكي كانت تحمل قيمة معينة ضمن جذر حالة كتلة محددة.

أما إثبات شجرة ميركل فهو المفهوم الأوسع.

ويُعد إثبات التخزين حالة استخدام محددة لإثبات بيانات الحالة أو التخزين.

يكتسب هذا التمييز أهميته لأن سلاسل البلوكشين المختلفة تستخدم هياكل بيانات وصيغ إثبات وقواعد تجزئة مختلفة.

لذلك ينبغي للمستخدمين عدم افتراض أن إثباتًا من بلوكشين ما يعمل بالطريقة نفسها على بلوكشين آخر.

فوائد إثباتات شجرة ميركل

الفائدة الأولى هي الكفاءة.

يمكن للإثبات التحقق من عنصر واحد من دون الحاجة إلى مجموعة البيانات بأكملها.

الفائدة الثانية هي خفض تكلفة التخزين على السلسلة.

يمكن للعقود الذكية تخزين جذر واحد بدلًا من آلاف أو ملايين السجلات.

الفائدة الثالثة هي تحسين قابلية التوسع.

يمكن الالتزام بمجموعات بيانات كبيرة باستخدام جذر صغير والتحقق منها عبر إثباتات موجزة.

الفائدة الرابعة هي سلامة البيانات.

إذا تغيرت ورقة أو تجزئة في الإثبات، فلن يتطابق الجذر المحسوب.

الفائدة الخامسة هي الخصوصية الجزئية.

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

المخاطر والقيود

الخطر الأول هو بناء الشجرة بطريقة غير صحيحة.

إذا بنى المشروع الشجرة بشكل خاطئ، فقد تفشل الإثباتات أو تؤدي إلى نتائج غير متوقعة.

الخطر الثاني هو الترميز الضعيف للأوراق.

إذا لم تُرمَّز الأوراق بعناية، فقد تؤدي مدخلات مختلفة إلى سلوك مربك أو غير آمن في الإثبات.

الخطر الثالث هو افتراضات الترتيب الخاطئة.

تتطلب بعض أنظمة إثبات ميركل ترتيب الأزواج، بينما تعتمد أنظمة أخرى على الترتيب من اليسار إلى اليمين.

الخطر الرابع هو الجذور غير الموثوقة.

لا يثبت الإثبات الصالح سوى الإدراج في مجموعة البيانات التي يمثلها ذلك الجذر؛ لذا يجب أن يكون مصدر الجذر نفسه موثوقًا أو تم التحقق منه.

الخطر الخامس هو إعادة الاستخدام أو المطالبة المزدوجة.

يجب على عقود Airdrop والمطالبات تتبع ما إذا كان الإثبات قد استُخدم من قبل، عندما ينبغي أن تتم المطالبة مرة واحدة فقط.

الخطر السادس هو التصيد الاحتيالي.

قد ينشئ المحتالون صفحات مطالبة مزيفة تطلب من المستخدمين تقديم إثباتات أو توقيع معاملات خطرة.

كيفية التحقق من إثبات شجرة ميركل

ابدأ ببيانات الورقة التي تريد التحقق منها.

جزّئ الورقة بالطريقة نفسها المستخدمة في بناء الشجرة الأصلية.

اجمع تجزئة الورقة مع أول تجزئة مجاورة في الإثبات.

جزّئ القيمة الناتجة عن الجمع.

كرر العملية مع كل تجزئة مجاورة متبقية.

قارن التجزئة النهائية المحسوبة بجذر ميركل الموثوق.

إذا تطابق الجذران، يكون الإثبات صالحًا.

وإذا لم يتطابقا، يكون الإثبات غير صالح.

في العقود الذكية، تتولى شيفرة التحقق عادةً تنفيذ العملية نفسها.

أما بالنسبة إلى المستخدمين، فالخطوة الأهم هي التأكد من أن الجذر والعقد وصفحة المطالبة والمصدر رسمية.

مفاهيم خاطئة شائعة حول إثباتات شجرة ميركل

من المفاهيم الخاطئة الشائعة أن إثبات شجرة ميركل يثبت صحة البيانات بكل معنى ممكن.

إنما يثبت فقط أن البيانات مدرجة في مجموعة بيانات يمثلها جذر محدد.

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

فهو يكشف عادةً الورقة المستهدفة والتجزئات المجاورة اللازمة للتحقق فقط.

والفكرة الخاطئة الثالثة هي أن جميع إثباتات ميركل تستخدم الصيغة نفسها.

قد تستخدم الأنظمة المختلفة دوال تجزئة وقواعد ترتيب وأشكال أشجار وترميزات إثبات مختلفة.

والفكرة الخاطئة الرابعة هي أن إثباتات ميركل تلغي الثقة تمامًا.

إنها تقلل الحاجة إلى الثقة في توصيل البيانات، لكن المستخدم يظل بحاجة إلى جذر موثوق وقواعد تحقق صحيحة.

والفكرة الخاطئة الخامسة هي أن إثباتات ميركل لا تُستخدم إلا للمعاملات.

يمكنها أيضًا التحقق من قوائم السماح وإيردروبات التوكنات وحالة الحسابات وقيم التخزين وبيانات Rollup والرسائل عبر السلاسل ومطالبات الهوية الرقمية.

الأسئلة الشائعة

ما إثبات شجرة ميركل؟

إثبات شجرة ميركل هو إثبات تشفيري يبيّن أن عنصرًا واحدًا من البيانات ينتمي إلى مجموعة بيانات أكبر يمثلها جذر ميركل.

ما جذر ميركل؟

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

كيف يتحقق إثبات ميركل من البيانات؟

يُجزّئ المدقق الورقة المستهدفة مع التجزئات المجاورة الواردة في الإثبات، ثم يتحقق مما إذا كانت النتيجة النهائية تطابق جذر ميركل الموثوق.

لماذا تستخدم البلوكشينات إثباتات شجرة ميركل؟

تستخدم البلوكشينات إثباتات شجرة ميركل للتحقق من البيانات بكفاءة من دون مطالبة كل مستخدم أو تطبيق بتنزيل مجموعة البيانات كاملة.

كيف تُستخدم إثباتات ميركل في حملات Airdrop؟

يمكن لعقود Airdrop تخزين جذر ميركل واحد، والسماح للمستخدمين بتقديم إثباتات تبيّن أن محفظاتهم ومبالغ مطالباتهم مدرجة في مجموعة البيانات المؤهلة.

كيف تُستخدم إثباتات ميركل في قوائم السماح الخاصة بـ NFT؟

يمكن لمشاريع NFT استخدام إثباتات ميركل للتحقق من إدراج محفظة في قائمة السماح من دون تخزين كل عنوان معتمد مباشرةً على السلسلة.

هل توفر إثباتات شجرة ميركل الخصوصية؟

توفر خصوصية جزئية، إذ لا يلزم كشف مجموعة البيانات كاملة، لكن قد تظل الورقة المستهدفة وبيانات الإثبات ظاهرة.

هل إثباتات شجرة ميركل هي نفسها إثباتات المعرفة الصفرية؟

لا. تتحقق إثباتات ميركل من الإدراج في مجموعة بيانات، بينما يمكن لإثباتات المعرفة الصفرية إثبات عبارات أوسع من دون كشف المدخلات الخاصة.

هل يمكن تزوير إثبات ميركل؟

سيفشل الإثبات المزيف إذا استخدم المدقق قواعد التجزئة الصحيحة وقارنه بالجذر الموثوق الصحيح.

ما الذي ينبغي للمستخدمين التحقق منه قبل استخدام صفحة للمطالبة بإثبات ميركل؟

ينبغي للمستخدمين التحقق من العقد الرسمي والموقع الرسمي وجذر ميركل الموثوق وطلب المحفظة وقواعد المطالبة ومدى أمان الصفحة.

الخاتمة

يُعد إثبات شجرة ميركل إحدى أهم أدوات التحقق في عالم العملات المشفرة.

فهو يتيح للمستخدمين والمحافظ والعقود الذكية والتطبيقات إثبات أن عنصرًا واحدًا ينتمي إلى مجموعة بيانات أكبر، من دون تنزيل مجموعة البيانات كاملة أو تخزينها.

وهذا يجعل أنظمة البلوكشين أكثر كفاءة وقابلية للتوسع وعملية.

تُستخدم إثباتات شجرة ميركل للتحقق من إدراج المعاملات والعملاء الخفيفين وإيردروبات التوكنات وقوائم السماح الخاصة بـ NFT والتحقق من حالة الحسابات وإثباتات التخزين والجسور وأنظمة Rollup.

الفكرة الأساسية بسيطة: يمثل جذر ميركل موثوق مجموعة البيانات، ويعيد الإثبات بناء المسار من ورقة واحدة إلى ذلك الجذر.

إذا تطابق الجذر المحسوب، تكون البيانات مدرجة.

وإذا لم يتطابق، يفشل الإثبات.

تقلل إثباتات شجرة ميركل الحاجة إلى الوثوق بمزودي البيانات، لكنها لا تزيل جميع المخاطر.

ما زال المستخدمون والمطورون بحاجة إلى قواعد تجزئة صحيحة وعقود ذكية آمنة وجذور موثوقة وإنشاء دقيق للإثباتات وحماية من التصيد الاحتيالي.

وعند تصميمها على نحو جيد، تجعل إثباتات شجرة ميركل أنظمة العملات المشفرة أخف وأقل تكلفة وأسهل في التحقق.