Доказательство Меркла

Что такое доказательство Меркла?

Доказательство Меркла — это криптографическое доказательство, которое подтверждает, что один фрагмент данных входит в более крупный набор, представленный корнем Меркла.

В криптовалютах доказательства Меркла используют для проверки транзакций, адресов кошельков, балансов токенов, состояний аккаунтов, значений хранилища, права на получение токенов в раздаче, белых списков NFT и других данных блокчейна.

Доказательство Меркла также называют доказательством включения в дерево Меркла, поскольку оно подтверждает принадлежность элемента дереву Меркла.

Основная цель доказательства Меркла — эффективная проверка.

Вместо загрузки или хранения всего набора данных проверяющей стороне нужны только проверяемые данные, небольшой список связанных хешей и доверенный корень Меркла.

В документации для разработчиков Bitcoin объясняется, что хеши транзакций попарно объединяются и многократно хешируются, пока в заголовке блока не останется один корень Меркла.

Такая структура позволяет компактно и безопасно доказывать включение данных в блокчейн.

Как работает доказательство Меркла

Доказательство Меркла работает путем восстановления пути от одного элемента данных до корня Меркла.

Сначала элемент данных хешируется и становится листом.

Затем доказательство предоставляет хеши соседних элементов, необходимые для продвижения вверх по дереву.

Проверяющая сторона объединяет хеш листа с первым соседним хешем и хеширует результат.

Затем она объединяет этот результат со следующим соседним хешем и снова хеширует полученное значение.

Процесс продолжается, пока не будет вычислен итоговый корень.

Если вычисленный корень совпадает с доверенным корнем Меркла, доказательство действительно.

Если вычисленный корень не совпадает, доказательство недействительно.

Таким образом, доказательство Меркла позволяет проверить один элемент, не показывая остальные элементы набора данных.

Зачем нужны доказательства Меркла в криптовалютах

Доказательства Меркла важны, поскольку блокчейнам нужно проверять большие наборы данных, не заставляя каждого пользователя напрямую обрабатывать все данные.

В блокчейн-блоке может содержаться множество транзакций.

В смарт-контракте раздачи токенов могут быть указаны тысячи или миллионы подходящих кошельков.

База данных состояния блокчейна может включать аккаунты, балансы, код смарт-контрактов и значения хранилища.

Доказательства Меркла повышают эффективность таких систем: небольшого доказательства достаточно, чтобы проверить конкретную запись.

Это может сократить расходы на пропускную способность сети, хранение данных и газ в блокчейне.

Кроме того, легкие клиенты, смарт-контракты, мосты, роллапы и приложения-кошельки могут проверять данные с меньшей зависимостью от центрального сервера.

Корень Меркла

Корень Меркла — это итоговый хеш в верхней части дерева Меркла.

Он служит компактным цифровым отпечатком всех данных дерева.

Если меняется любой лист, расположенные выше хеши, а вместе с ними и корень Меркла, также меняются.

Поэтому корень Меркла можно использовать как обязательство в отношении большого набора данных.

Сам по себе корень не раскрывает весь набор данных.

Он лишь дает проверяющим сторонам ориентир для проверки доказательств Меркла.

Доказательство Меркла имеет смысл, только если проверяющая сторона доверяет корню или может проверить его с помощью консенсуса блокчейна.

Пример доказательства Меркла

Представим список для раздачи токенов, в котором указаны четыре адреса кошельков и суммы для получения.

Каждая запись с адресом кошелька и суммой хешируется и становится листом.

Лист один и лист два хешируются вместе, формируя родительский хеш.

Лист три и лист четыре хешируются вместе, формируя другой родительский хеш.

Затем два родительских хеша хешируются вместе, образуя корень Меркла.

Если кошелек один хочет получить токены, он отправляет адрес кошелька, сумму и соседние хеши, необходимые для восстановления корня.

Смарт-контракт проверяет доказательство относительно сохраненного корня.

Если доказательство совпадает, контракт подтверждает, что запись о получении токенов входит в исходный набор данных.

Доказательства Меркла в Bitcoin

Bitcoin использует деревья Меркла для обобщения транзакций в каждом блоке.

Каждая транзакция хешируется, ее хеш объединяется с хешем другой транзакции и хешируется повторно, пока не образуется один корень Меркла.

Корень Меркла сохраняется в заголовке блока.

Легкий кошелек может использовать доказательство Меркла, чтобы проверить включение транзакции в блок, не загружая каждую транзакцию этого блока.

Это обеспечивает упрощенную проверку платежей, которую часто называют SPV.

SPV не обеспечивает такого же уровня безопасности, как запуск полной ноды.

Однако это более эффективный способ проверки включения транзакции для легких клиентов.

Доказательства Меркла в Ethereum

Ethereum использует аутентифицированные структуры данных на основе деревьев Меркла для проверки аккаунтов и данных хранилища.

В документации Ethereum о деревьях Меркла — Патриции объясняется, что в Ethereum используются структуры trie со связанными хешами, благодаря которым данные состояния можно проверять криптографическими методами.

Доказательства Ethereum могут показать, что аккаунт, баланс, nonce, хеш кода или значение хранилища входят в конкретный корень состояния.

Стандарт EIP-1186 eth_getProof определяет RPC-метод создания доказательств Меркла для аккаунтов и значений хранилища Ethereum.

Это полезно, когда приложению нужно проверить состояние блокчейна, не полагаясь безоговорочно на одного поставщика данных.

Структура Ethereum сложнее простого бинарного дерева Меркла, однако в ее основе по-прежнему лежит проверка относительно доверенного корня.

Доказательства Меркла в раздачах токенов

Доказательства Меркла широко используют в раздачах криптовалют.

Проект может составить список подходящих адресов кошельков и сумм токенов.

Каждая запись становится листом дерева Меркла.

В смарт-контракте проекта хранится один корень Меркла.

Чтобы получить токены, пользователь отправляет данные заявки и доказательство Меркла.

Контракт проверяет, соответствует ли доказательство сохраненному корню.

Благодаря этому не нужно хранить адрес каждого подходящего кошелька непосредственно в блокчейне.

Кроме того, крупные раздачи становятся дешевле и масштабируемее.

Если получить токены можно только один раз, контракт должен отслеживать, получал ли пользователь токены ранее.

Доказательства Меркла в белых списках NFT

NFT-проекты часто используют доказательства Меркла для белых списков, предварительных продаж и раннего доступа к выпуску NFT.

Вместо того чтобы хранить в контракте адрес каждого одобренного кошелька, проект сохраняет корень Меркла.

Каждый одобренный кошелек получает доказательство того, что он входит в набор данных белого списка.

Во время выпуска NFT смарт-контракт проверяет доказательство, прежде чем разрешить выпуск.

Это позволяет снизить расходы на газ и хранить полный белый список вне блокчейна.

Тем не менее перед подписанием каких-либо данных пользователям следует проверить официальную страницу выпуска NFT, адрес контракта и инструкции по получению.

Доказательства Меркла в смарт-контрактах

Смарт-контракты могут проверять доказательства Меркла непосредственно в блокчейне.

Такой способ часто используют для раздач токенов, белых списков NFT, получения вознаграждений, доступа по токенам и систем белых списков.

В документации OpenZeppelin MerkleProof представлены инструменты Solidity для проверки того, что лист входит в дерево Меркла, определенное корнем.

Обычно контракт хранит корень и проверяет отправленные пользователями доказательства при получении токенов или проверке доступа.

Это дешевле, чем хранить большой список адресов или записей непосредственно в блокчейне.

Систему доказательств нужно тщательно проектировать: форматирование листьев, правила сортировки и хеш-функции должны точно совпадать.

Доказательства Меркла и легкие клиенты

Легкие клиенты используют компактные методы проверки вместо загрузки и проверки всех данных блокчейна.

Доказательства Меркла помогают легким клиентам проверять отдельные транзакции или значения состояния относительно доверенных заголовков блоков или корней.

Это может сделать использование криптовалютных кошельков практичнее на мобильных устройствах, в браузерах и системах с ограниченным объемом памяти.

Легкий клиент — не то же самое, что полная нода.

Полная нода проверяет больше правил и обрабатывает больше данных.

Легкий клиент использует доказательства, чтобы снизить зависимость от доверия и требования к ресурсам, но при этом опирается на другую модель безопасности.

Доказательства Меркла и мосты

Кроссчейн-мосты и системы обмена сообщениями могут использовать доказательства Меркла, чтобы подтвердить, что событие, транзакция или значение состояния возникли в другой сети.

Например, мосту может потребоваться доказать, что токены заблокированы в одной сети, прежде чем выпустить обернутые активы в другой.

Доказательство Меркла может подтвердить, что конкретное событие входит в блок или корень состояния.

Само по себе наличие такого доказательства не делает каждый мост безопасным.

Безопасность мостов также зависит от устройства валидаторов, кода контрактов, предположений об оракулах, правил финализации и способа проверки корней.

Не следует считать, что использование доказательств Меркла устраняет все риски мостов.

Доказательства Меркла и роллапы

Роллапы и решения для масштабирования часто используют криптографические обязательства для обобщения больших объемов данных о транзакциях или состоянии.

В зависимости от устройства роллапа доказательства на основе дерева Меркла могут помогать проверять включение данных, вывод средств, снятие активов или переходы состояния.

Роллап может зафиксировать пакеты транзакций или обновления состояния с помощью корней, которые позднее можно проверить.

Доказательства Меркла могут быть частью этого процесса проверки.

Часто их используют вместе с доказательствами мошенничества, доказательствами корректности, системами доступности данных или другими криптографическими инструментами.

Точная роль доказательств Меркла зависит от архитектуры решения для масштабирования.

Доказательство Меркла и дерево Меркла

Дерево Меркла — это целая структура данных на основе хешей.

Доказательство Меркла — это небольшой набор данных, с помощью которого подтверждают, что один лист входит в это дерево.

Дерево содержит все листья и ветви.

Доказательство содержит только соседние хеши, необходимые для проверки одного пути.

Корень Меркла представляет все дерево.

Доказательство Меркла связывает один элемент с этим корнем.

Доказательство Меркла и корень Меркла

Корень Меркла — это один хеш.

Доказательство Меркла — это список хешей и связанных с проверкой данных.

Корень — это обязательство.

Доказательство — подтверждение.

Одного корня недостаточно, чтобы доказать включение конкретного элемента.

Доказательству нельзя доверять без действительного корня.

Для проверки принадлежности нужны и корень, и доказательство.

Доказательство Меркла и доказательство с нулевым разглашением

Доказательство Меркла подтверждает включение конкретного элемента в зафиксированный набор данных.

Доказательство с нулевым разглашением может подтвердить более общее утверждение, не раскрывая лежащую в его основе конфиденциальную информацию.

Доказательства Меркла обычно проще и дешевле проверять.

Доказательства с нулевым разглашением подходят для более сложных сценариев, связанных с конфиденциальностью и вычислениями.

Эти два инструмента также можно использовать вместе.

Например, схема с нулевым разглашением может скрытно подтвердить, что пользователь входит в дерево Меркла, не раскрывая, какой именно лист ему принадлежит.

Преимущества доказательств Меркла

Первое преимущество — эффективность.

Проверяющая сторона может проверить один элемент, не загружая весь набор данных.

Второе преимущество — снижение расходов на хранение данных.

Смарт-контракт может хранить один корень вместо тысяч записей.

Третье преимущество — масштабируемость.

Большие наборы данных можно зафиксировать компактным корнем и проверять с помощью небольших доказательств.

Четвертое преимущество — целостность данных.

Если изменить данные или доказательство, вычисленный корень не совпадет с исходным.

Пятое преимущество — частичная конфиденциальность.

Пользователь может подтвердить включение элемента, не раскрывая весь набор данных.

Риски и ограничения доказательств Меркла

Первый риск — доверие к неправильному корню.

Доказательство Меркла подтверждает только включение элемента в набор данных, представленный конкретным корнем.

Если корень поддельный, устаревший или создан злоумышленником, доказательство может вводить в заблуждение.

Второй риск — некорректное кодирование листа.

Если адреса кошельков, суммы, идентификаторы токенов или данные заявки закодированы неправильно, проверка доказательства может завершиться ошибкой или дать неожиданный результат.

Третий риск — ошибки сортировки.

В одних деревьях Меркла перед хешированием пары сортируются, в других важен порядок слева направо.

Четвертый риск — повторное использование доказательства или повторное получение токенов.

Если каждый пользователь может получить токены только один раз, система должна отслеживать использованные доказательства или адреса кошельков.

Пятый риск — фишинг.

Мошенники могут создавать поддельные страницы получения токенов, имитирующие систему доказательств Меркла, но предлагающие пользователям подписать вредоносные транзакции.

Как проверить доказательство Меркла

Для начала подтвердите, что корень Меркла заслуживает доверия.

Затем проверьте данные листа, например адрес кошелька, сумму, идентификатор токена или хеш транзакции.

Хешируйте лист тем же методом, который использовался при построении исходного дерева.

Объедините хеш листа с каждым соседним хешем из доказательства.

Хешируйте каждую пару в правильном порядке.

Повторяйте процесс, пока не вычислите итоговый корень.

Сравните вычисленный корень с доверенным корнем.

Если корни совпадают, доказательство действительно.

Если корни не совпадают, доказательство недействительно.

Распространенные заблуждения о доказательствах Меркла

Одно из распространенных заблуждений состоит в том, что доказательство Меркла подтверждает легитимность проекта.

Оно подтверждает только принадлежность данных набору, представленному корнем.

Другое заблуждение — будто доказательство Меркла раскрывает весь набор данных.

Обычно оно раскрывает только проверяемый лист и соседние хеши, необходимые для проверки.

Третье заблуждение — будто все доказательства Меркла имеют одинаковый формат.

В разных системах могут использоваться разные хеш-функции, формы деревьев, методы кодирования и правила сортировки.

Четвертое заблуждение — будто доказательства Меркла используют только для транзакций.

С их помощью также проверяют раздачи токенов, белые списки NFT, значения хранилища, состояния аккаунтов, события мостов, данные роллапов и цифровые идентификационные данные.

FAQ

Что такое доказательство Меркла?

Доказательство Меркла — это криптографическое доказательство, которое подтверждает, что конкретный элемент данных входит в более крупный набор, представленный корнем Меркла.

Доказательство Меркла и доказательство включения в дерево Меркла — это одно и то же?

Да. Обычно термины «доказательство Меркла» и «доказательство включения в дерево Меркла» обозначают одно и то же понятие.

Что такое корень Меркла?

Корень Меркла — это итоговый хеш в верхней части дерева Меркла, который служит компактным обязательством в отношении всего набора данных.

Как доказательство Меркла проверяет данные?

Оно использует проверяемый лист и соседние хеши, чтобы восстановить корень и сравнить его с доверенным корнем Меркла.

Зачем доказательства Меркла используют в раздачах токенов?

С их помощью смарт-контракт может проверить право на получение токенов, не храня в блокчейне адрес и сумму для каждого подходящего пользователя.

Зачем доказательства Меркла используют в белых списках NFT?

Они позволяют контрактам NFT проверять, одобрен ли кошелек для выпуска NFT, не храня в блокчейне весь белый список.

Обеспечивают ли доказательства Меркла конфиденциальность?

Они обеспечивают частичную конфиденциальность, поскольку весь набор данных раскрывать не требуется, однако проверяемый лист и данные доказательства могут быть видны.

Можно ли подделать доказательство Меркла?

Поддельное доказательство не должно пройти проверку, если проверяющая сторона использует правильные корень, хеш-функцию, форматирование листа и порядок элементов доказательства.

Являются ли доказательства Меркла доказательствами с нулевым разглашением?

Нет. Доказательства Меркла подтверждают включение данных в зафиксированный набор, а доказательства с нулевым разглашением могут подтверждать более общие утверждения без раскрытия конфиденциальных входных данных.

Что проверить перед использованием страницы получения токенов с доказательством Меркла?

Пользователям следует проверить официальный сайт, адрес контракта, корень Меркла, запрос кошелька, правила получения токенов и сведения о транзакции.

Заключение

Доказательство Меркла — основной инструмент криптографической проверки, который подтверждает принадлежность одного элемента данных более крупному набору.

Оно связывает лист с доверенным корнем Меркла с помощью небольшого набора хешей соседних элементов.

Благодаря этому проверка выполняется быстрее и дешевле и лучше масштабируется, чем проверка всего набора данных напрямую.

Доказательства Меркла используют для проверки транзакций Bitcoin, состояния Ethereum, раздач токенов, белых списков NFT, смарт-контрактов, легких клиентов, мостов и систем роллапов.

Этот подход эффективен благодаря сочетанию компактных данных, криптографического хеширования и возможности проверить целостность.

Однако надежность доказательства Меркла зависит от корня, построения дерева, хеш-функции, правил кодирования и кода проверки.

Пользователям также следует остерегаться фишинговых страниц и поддельных систем получения токенов.

При правильной реализации доказательства Меркла помогают сделать криптовалютные системы эффективнее, прозрачнее и менее зависимыми от доверенных посредников.