O que são árvores de Merkle e como elas viabilizam a prova de reservas?

As árvores de Merkle constituem uma estrutura criptográfica essencial, permitindo sistemas de verificação transparente na tecnologia blockchain, especialmente nos protocolos de Proof of Reserves. Este artigo detalha o funcionamento das árvores de Merkle, incluindo o papel fundamental do merkle root, e destaca sua importância para garantir a segurança e a transparência das reservas em criptomoedas.

Antes de tudo, o que é um "hash"?

Hash é uma sequência única e imutável composta por números e letras, gerada a partir de um conjunto de dados de qualquer tamanho. No contexto do blockchain, esse conjunto pode ser ilimitado. A função hash é o fundamento da segurança criptográfica do blockchain.

Por meio de uma função hash criptográfica, cada novo bloco inserido em uma blockchain é conectado ao bloco anterior. Essa função transforma os dados de transação de um bloco em uma string única, impossível de ser alterada sem modificar também o hash do bloco anterior e de todo o histórico da blockchain. Esse mecanismo resulta em uma cadeia imutável, na qual qualquer modificação nos dados altera completamente o hash.

A característica unidirecional da função hash garante que, uma vez gerado o hash, não é possível reverter o processo e recuperar o dado original. Essa propriedade torna blockchains resistentes a adulterações e seguros contra tentativas de descriptografia. Cada bloco está conectado ao que veio antes e ao que vem depois, criando uma cadeia de confiança inquebrável.

Por exemplo, um Transaction Hash (Tx Hash) funciona como um identificador único gerado por uma transação de cryptocurrency, comprovando que a transação foi validada e inserida na blockchain. Esse identificador integra o registro permanente, podendo ser auditado por qualquer usuário da rede.

E o que é uma Merkle Tree?

Patenteada por Ralph Merkle em 1979, a Merkle Tree é uma estrutura hierárquica de hashes que permite verificar a integridade de dados de maneira eficiente em redes descentralizadas. Em redes peer-to-peer, todas as transações realizadas precisam ter sua consistência validada por todos os participantes.

Sem o uso da função hash de transação, seria necessário revalidar continuamente todas as transações na blockchain, causando enorme ineficiência. A árvore de Merkle resolve esse desafio por meio de uma estrutura hierárquica sofisticada.

Para ilustrar, pense em uma sorveteria apurando lucro e prejuízo do mês. Se um pagamento for lançado errado, no controle manual seria preciso recalcular todos os lançamentos seguintes até o fechamento do mês. A função hash criptográfica é semelhante ao que ocorre em um Excel ou software de contabilidade, que atualiza os totais em tempo real ao alterar dados, sem necessidade de revisar o livro inteiro.

No blockchain, em vez de alterar só os totais, o hash da transação é transformado em uma nova sequência aleatória, refletindo a atualização. Os dados são convertidos em uma sequência alfanumérica aleatória (hash) e vinculados à transação correspondente, criando a hash tree ou Merkle tree.

Árvores de Merkle permitem verificar rapidamente dados transferidos entre computadores em redes peer-to-peer, assegurando que blocos transmitidos sejam recebidos íntegros e sem alterações. Em criptomoedas, a Merkle Tree é formada por folhas (leaf nodes), que representam hashes de blocos de dados, como transações. Os nós superiores da árvore são hashes resultantes da combinação dos nós filhos.

Por exemplo, Hash 1 resulta da combinação dos dois hashes imediatamente abaixo na estrutura: Hash 1 = Hash(hash 1-0 + Hash 1-1). No topo está o merkle root, também chamado de Top Hash. O merkle root permite que qualquer segmento da hash tree seja recebido de fontes não confiáveis, como em uma rede peer-to-peer.

Qualquer ramo recebido, representando uma nova transação, pode ser validado pelo merkle root confiável para garantir que o hash não foi corrompido ou adulterado. Em vez de transmitir um arquivo inteiro, basta enviar o hash e compará-lo ao merkle root para assegurar sua integridade. Esse mecanismo caracteriza o sistema de criptomoedas como trustless.

O que é Proof of Reserves?

No modelo tradicional de contabilidade, os registros são compostos por livros, relatórios e balanços, auditados por terceiros. Já em plataformas descentralizadas, não existem auditores independentes ou conferência manual de entradas e saídas, o que levanta questões sobre confiança e verificação.

Quando usuários depositam criptomoedas em uma plataforma, precisam ter certeza de que esses ativos permanecem seguros ao longo do tempo e não serão usados para outros fins. Ainda que existam exploradores de blockchain, a experiência indica que nem sempre são suficientemente transparentes para impedir fraudes. A solução está na junção das árvores de Merkle com protocolos de Proof of Reserves.

Com o objetivo de aumentar a confiança dos clientes em relação aos fundos em plataformas centralizadas, exchanges vêm adotando Proof of Reserves. Trata-se de um relatório de ativos cripto, que garante que o custodiante detém de fato os ativos declarados em nome dos usuários.

A árvore de Merkle comprova essa garantia de duas formas principais. Primeiro, usuários conseguem localizar seu saldo na árvore e verificar que seus ativos integram o saldo total da exchange. Segundo, o saldo total é comparado ao saldo da wallet on-chain pública para validar o Proof of Reserves.

Ao utilizar a Merkle Tree para mostrar dados de transação imutáveis e comprovar a integridade via hash criptográfico e verificação do merkle root, os clientes têm a segurança de que seus ativos estão mantidos na proporção 1:1. Assim, cria-se um sistema transparente e auditável, baseado em matemática, sem depender de auditoria externa.

Conclusão

Árvores de Merkle são uma inovação criptográfica que torna a verificação de integridade de dados em blockchains transparente e eficiente. Com estruturas hierárquicas de hash e o merkle root no topo, é possível conferir rapidamente a integridade de dados sem revisar todo o histórico da blockchain. O merkle root funciona como ponto final de validação, viabilizando a confirmação trustless de todas as transações na estrutura. Combinadas aos protocolos de Proof of Reserves, as árvores de Merkle proporcionam segurança matemática, garantindo aos usuários que seus ativos estão mantidos na proporção 1:1. Esse sistema de verificação trustless muda a lógica da confiança cega em instituições centralizadas para garantias transparentes e criptograficamente comprovadas via merkle root. À medida que o universo cripto evolui, as árvores de Merkle, o merkle root e o Proof of Reserves permanecem como ferramentas essenciais para a transparência, a segurança e a confiança em sistemas financeiros descentralizados.

FAQ

Qual é a diferença entre Merkle tree e Merkle root?

A Merkle tree é uma estrutura binária de dados utilizada para verificação eficiente; o Merkle root é o hash único no topo da árvore, usado para validar todos os nós folha.

Como calcular o Merkle root?

Aplique o hash nos nós folha, agrupe e aplique hash sucessivamente até restar apenas um hash. Esse hash final é o Merkle root.

Para que serve Merkle?

Merkle é utilizado para verificação eficiente de dados em blockchains e redes P2P, garantindo integridade e provando inclusão de dados em grandes conjuntos.

Quais conceitos de Merkle root são utilizados em blockchains?

Merkle roots em blockchains resumem os dados dos blocos em um hash único, assegurando integridade e permitindo verificação eficiente do conteúdo do bloco sem processar todas as transações.