Merkle Tree คืออะไร?
Merkle Tree เป็นโครงสร้างประเภทหนึ่งที่มักใช้เพื่อตรวจสอบความสมบูรณ์ของข้อมูลได้อย่างรวดเร็ว โดยส่วนใหญ่มักใช้กับชุดข้อมูล เรียกอีกอย่างว่า hash tree ซึ่งในกรณีส่วนใหญ่จะมีการนำไปใช้แบบไบนารี โดยแต่ละโหนดมักมี “โหนดลูก” สองโหนด ในโลกของสกุลเงินดิจิทัล โครงสร้างนี้ใช้เพื่อเข้ารหัสข้อมูลบล็อกเชนได้อย่างมีประสิทธิภาพและปลอดภัยยิ่งขึ้น แต่เราจะอธิบายรายละเอียดเพิ่มเติมในภายหลัง
Merkle Tree เป็นวิธีสำหรับตรวจสอบเนื้อหาอย่างรวดเร็วและปลอดภัยในชุดข้อมูลขนาดใหญ่ ทั้งยังช่วยตรวจสอบความสอดคล้องและเนื้อหาของข้อมูล Merkle Tree เป็นโครงสร้างข้อมูลทางคณิตศาสตร์ที่ประกอบด้วยค่าแฮชจากบล็อกต่าง ๆ ค่าแฮชเหล่านี้สรุปธุรกรรมทั้งหมดในบล็อกที่กำหนด จึงทำให้ Merkle Tree มักถูกใช้ใน
วิทยาการเข้ารหัสลับ.
Merkle Tree มีโหนดอยู่สามประเภท ดังนี้:
โหนดราก: จัดเก็บไว้โดยตรงในส่วนหัวของบล็อก และเรียกอีกอย่างว่า Merkle root
โหนดใบ: ประกอบด้วยค่าแฮชสำหรับข้อมูลธุรกรรม ข้อมูลของแต่ละธุรกรรมในบล็อกจะถูกแฮช จนนำไปสู่การสร้างธุรกรรม ID ซึ่งจากนั้นจะถูกจัดเก็บในโหนดใบ
โหนดที่ไม่ใช่โหนดใบ: สุดท้าย Merkle Tree ยังมีโหนดที่ไม่ใช่โหนดใบ ซึ่งมีค่าแฮชของ “โหนดลูก” เรียกว่าโหนดกลาง โดยเป็นค่าแฮชที่ใช้ต่อเนื่องจนกระทั่งกระบวนการไปถึงรากของต้นไม้
สาระสำคัญของ Merkle Tree คือช่วยให้ตรวจสอบธุรกรรมได้โดยใช้ข้อมูลเพียงเล็กน้อย ซึ่งช่วยลดการประมวลผล CPI ขณะเดียวกันก็รักษาความปลอดภัยที่สูงขึ้น ทั้งสองสิ่งนี้ล้วนจำเป็น
Merkle Tree มี
ธุรกรรมทั้งหมดถูกจัดกลุ่มเป็นคู่, เพื่อให้แต่ละคู่มีค่าแฮชที่คำนวณแล้วและจัดเก็บไว้โดยตรงในโหนดแม่เหนือคู่นั้น หลักการนี้ใช้กับโหนดที่อยู่เหนือขึ้นไปเรื่อย ๆ จนกระทั่งถึง Merkle root
ตัวอย่าง Merkle Tree ที่มี Merkle root โหนดที่ไม่ใช่โหนดใบ และโหนดใบ แหล่งที่มา: geeksforgeeks.org
มาดูตัวอย่างง่าย ๆ กัน ในแผนภูมิด้านล่าง เรามีธุรกรรมที่แตกต่างกัน 4 รายการ ซึ่งระบุเป็น A, B, C, D แต่ละธุรกรรมจะถูกแฮชก่อน ทำให้อยู่ในรูปแบบ Hash A, Hash B เป็นต้น จึงเกิดค่าแฮชสี่ค่าและจับคู่เข้ากับโหนดใบ ส่งผลให้เกิดโหนดที่ไม่ใช่โหนดใบ ในกรณีนี้ ได้แก่ hash AB และ hash CD ซึ่งเป็นผลจาก hash ลูก A และ hash ลูก B; ส่วน hash AB และ hash C กับ hash D จะได้ hash CD
ค่าแฮชใหม่ทั้งสองนี้ ซึ่งเป็นค่าแฮชแม่ของธุรกรรมเดิมทั้งสี่รายการ จะถูกแฮชอีกครั้ง ส่งผลให้ได้ hash ABCD และรากของ Merkle Tree จากนั้น Merkle root จะทำหน้าที่สรุปข้อมูลที่ธุรกรรมเริ่มต้นเก็บไว้ ข้อมูลนี้จะถูกจัดเก็บในส่วนหัวของบล็อก
ประโยชน์ของ Merkle Tree
Merkle Tree ในฐานะโครงสร้างให้ประโยชน์หลายประการ ซึ่งยังถูกนำไปใช้ใน
เทคโนโลยีสกุลเงินดิจิทัลและบล็อกเชน. ก่อนที่เราจะดูว่ามีการใช้ประโยชน์เหล่านี้อย่างไร เรามาดูกันก่อนว่าประโยชน์เหล่านี้คืออะไร
ไม่มีความล่าช้า: เมื่อใช้ Merkle Tree การถ่ายโอนข้อมูลผ่านเครือข่ายสามารถทำได้โดยไม่มีความล่าช้า หากไม่ใช้ Merkle Tree จะทำไม่ได้ เพราะต้องส่งข้อมูลทั้งหมดไปทั่วทั้งเครือข่ายเพื่อการตรวจสอบ ซึ่งทำให้เกิดความล่าช้า
กระบวนการตรวจสอบที่มีประสิทธิภาพ: ใช้หน่วยความจำเพียงเล็กน้อยในระหว่างกระบวนการตรวจสอบ เนื่องจากวิธีจัดโครงสร้างข้อมูล ซึ่งหมายความว่าสามารถตรวจสอบความถูกต้องและความสมบูรณ์ของธุรกรรมได้แทบจะในทันที นอกจากนี้ ด้วยเหตุนี้จึงต้องส่งข้อมูลเพียงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับขนาดของชุดข้อมูล
ใช้พื้นที่ดิสก์น้อย: ประโยชน์ที่กล่าวถึงข้างต้นยังสัมพันธ์กับขนาดพื้นที่ดิสก์ที่ Merkle Tree ใช้ ซึ่งน้อยกว่ามากเมื่อเทียบกับโครงสร้างข้อมูลอื่น ๆ ส่งผลให้สามารถตรวจสอบธุรกรรมได้ด้วยแบนด์วิดท์และกำลังประมวลผลที่เหมาะสม
การตรวจจับการปลอมแปลง: ธุรกรรมทุกรายการจะถูกจัดเก็บไว้ภายใน Merkle Tree ซึ่งหมายความว่าความพยายามใด ๆ ในการเปลี่ยนแปลงธุรกรรมจะส่งผลไปถึง Merkle root และมีข้อมูลอยู่ใน block header ดังนั้นจึงสามารถเปรียบเทียบข้อมูลปัจจุบันกับเวอร์ชันที่ถูกแก้ไขได้อย่างง่ายดาย และตรวจพบความพยายามฉ้อโกงได้อย่างรวดเร็ว
Merkle Tree และสกุลเงินดิจิทัล
แม้ผู้ที่ไม่ได้มีความรู้ด้านเทคนิคจำนวนไม่น้อยในชุมชนสกุลเงินดิจิทัลจะไม่ได้ให้ความสนใจกับ Merkle Tree แต่กลุ่ม cypherpunk หรือผู้สนับสนุนสกุลเงินดิจิทัลที่มีความรู้ด้านเทคนิคขั้นสูงย่อมทราบถึงคุณค่าของ Merkle Tree ในด้านนี้ Merkle Tree มีความสำคัญต่อเทคโนโลยี blockchain เพราะช่วยให้ตรวจสอบได้อย่างรวดเร็วและง่ายดาย ที่จริงแล้ว การตรวจสอบประเภทนี้ไม่อาจทำได้ด้วยเทคนิคหรือโครงสร้างอื่นใด
Merkle Tree ช่วยให้นักพัฒนาจัดการชุดข้อมูลขนาดใหญ่ได้ โดยสามารถบีบอัดข้อมูลอย่างมีประสิทธิภาพด้วยการตัดข้อมูลที่ไม่จำเป็นออกทั้งหมด ก่อนแปลงเป็น hash ในโลกของสกุลเงินดิจิทัล ประโยชน์ดังกล่าวอาจแสดงออกมาในรูปของประสิทธิภาพด้านทรัพยากร การขยายขนาดอย่างมีประสิทธิภาพ การยืนยันตัวตนการชำระเงินขั้นพื้นฐาน การตรวจสอบธุรกรรม หรือโครงสร้างแบบ lightweight
Merkle Tree แบ่งข้อมูลออกเป็นส่วนย่อย ๆ ของสารสนเทศ, ที่มา: simplilearn.com
Merkle Tree ในคริปโต – Bitcoin และ Ethereum
หลังจากดูคร่าว ๆ ว่า Merkle Tree คืออะไรและถูกนำไปใช้อย่างไรในวงการสกุลเงินดิจิทัลแล้ว เรามาเจาะลึกตัวอย่างกรณีใช้งานที่เป็นรูปธรรมมากขึ้นกัน
Bitcoin
หลายท่านคงเดาได้แล้วว่า Bitcoin ใช้ Merkle Tree ในหลายกรณี กรณีที่เห็นได้ชัดที่สุดคือการใช้ใน Bitcoin block header เนื่องจาก hash ของทุกธุรกรรมที่อยู่ใน block จะถูกบันทึกไว้ในนั้น
อย่างไรก็ตาม ยังไม่หมดเพียงเท่านั้น โครงสร้าง Merkle Tree ยังใช้ใน
การขุดหรือการตรวจสอบ. สำหรับ miner แล้ว Merkle root มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเพิ่มประสิทธิภาพของทุกกระบวนการ ด้วยโครงสร้างนี้และคุณลักษณะโดยธรรมชาติของมัน miner จึงตรวจสอบเพียง block header หลังจากที่ถูกสร้างเป็น Merkle Tree การตรวจสอบ Merkle root จึงมีประสิทธิภาพมากกว่าการตรวจสอบ block ทั้งหมด
โครงสร้างนี้ยังใช้ในการตรวจสอบ โดยเฉพาะในกรณีที่ node ทำงานบนอุปกรณ์ที่ค่อนข้างมีประสิทธิภาพต่ำ หากอุปกรณ์มีทรัพยากรจำกัด แทนที่จะดาวน์โหลดทุก hash และ block อุปกรณ์จะใช้ Merkle proof ซึ่งยืนยันว่ามีธุรกรรมอยู่ใน block วิธีนี้ช่วยลดจำนวน hash และทำให้การตรวจสอบเกิดขึ้นได้โดยใช้ทรัพยากรพลังงานน้อยลง
Ethereum
Ethereum ซึ่งเป็นสกุลเงินดิจิทัลที่มีขนาดใหญ่เป็นอันดับสอง อาศัย Merkle Patricia Tree ซึ่งเป็น Merkle Tree เวอร์ชันที่ปรับปรุงแล้ว นั่นหมายความว่าแต่ละ block ใน blockchain นี้ไม่ได้ประกอบด้วย Merkle Tree เพียงหนึ่งต้น แต่มีสามต้น โดยแต่ละ root มีวัตถุประสงค์ของตนเอง
root แรกเป็น root สำหรับทุกธุรกรรม root ที่สองแสดงสถานะของธุรกรรม และ root สุดท้ายคือใบรับของธุรกรรมทั้งหมด ดังนั้นทุกคนจึงสามารถดู Merkle root เพื่อทราบว่าธุรกรรมนั้นอยู่ใน block ที่ระบุหรือไม่ ได้รับการอนุมัติและส่งไปแล้วหรือยัง และยอดคงเหลือของธุรกรรมเป็นเท่าใด ด้วย Merkle Tree
บทสรุป
โครงสร้าง Merkle Tree มีความสำคัญมากขึ้นเรื่อย ๆ ต่อวงการวิทยาการเข้ารหัสลับนับตั้งแต่มีการคิดค้นสกุลเงินดิจิทัล เมื่อ Bitcoin ซึ่งเป็นสกุลเงินดิจิทัลแรกใช้ Merkle Tree ในหลายด้าน โครงสร้างประเภทนี้จึงแพร่หลายไปยังสกุลเงินดิจิทัลอื่น ๆ ด้วยประโยชน์ที่มอบให้แก่โครงการพื้นฐานต่าง ๆ
OrangeX.com team