O que são Merkle trees e como viabilizam o Proof of Reserves?

As Merkle trees constituem uma estrutura criptográfica fundamental que permite sistemas de verificação transparente na tecnologia blockchain, especialmente nos protocolos de Proof of Reserves. Neste artigo, analisamos o funcionamento das Merkle trees, incluindo o elemento essencial merkle root, e o papel decisivo que desempenham na segurança e transparência das reservas de criptomoedas.

Antes de mais, o que é um "hash"?

Um hash é uma sequência única e imutável de números e letras, gerada a partir de um conjunto de dados de qualquer dimensão. Na blockchain, este conjunto pode ser virtualmente ilimitado. A função hash é o pilar da segurança criptográfica do blockchain.

Através de uma função hash criptográfica, cada novo bloco adicionado à blockchain liga-se automaticamente ao bloco anterior. Esta função converte os dados das transações de um bloco numa cadeia única de texto, impossível de alterar sem modificar o hash do bloco anterior e todo o histórico da blockchain. Assim, constrói-se uma cadeia imutável onde qualquer alteração nos dados afeta integralmente o hash correspondente.

A natureza unidirecional das funções hash garante que, após a conversão dos dados num hash, não é possível reverter para os dados originais. Esta propriedade criptográfica torna as blockchains invioláveis e resistentes a tentativas de descodificação. Cada bloco fica ligado aos anteriores e seguintes, formando uma cadeia de confiança inquebrável.

Por exemplo, um Transaction Hash (Tx Hash) é um identificador único gerado por uma transação de criptomoeda, que comprova a validação e inclusão da transação na blockchain. Este identificador integra o registo permanente, acessível para verificação por qualquer utilizador 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 verifica eficientemente a integridade dos dados em redes descentralizadas. Sempre que ocorrem transações numa rede peer-to-peer, todas as alterações na blockchain devem ser confirmadas quanto à consistência em todos os participantes.

Sem uma função hash de transação, seria necessário validar continuamente todas as transações da blockchain, o que seria altamente ineficiente. A Merkle tree ultrapassa este desafio com uma organização hierárquica inteligente.

Para ilustrar, imagine uma geladaria a calcular o resultado mensal. Se encontrar um erro numa entrada, com papel e caneta teria de recalcular todas as operações subsequentes até ao final do mês. Uma função hash criptográfica funciona como um Excel ou software de contabilidade: ao alterar um valor, os totais são atualizados em tempo real, sem necessidade de rever todo o registo manualmente.

No entanto, em vez de alterar diretamente os totais, o hash da transação transforma-se numa nova sequência aleatória para refletir as alterações na blockchain. Os dados convertem-se numa cadeia alfanumérica aleatória (hash) associada à transação respetiva, formando uma árvore de hashes ou Merkle tree.

As Merkle trees permitem verificar rapidamente dados transferidos entre computadores numa rede peer-to-peer, assegurando que os blocos enviados entre pares são recebidos intactos. Nos sistemas de criptomoedas, uma Merkle Tree é composta por folhas ou leaf nodes, os hashes que representam blocos de dados, como as transações na blockchain. Os nodes superiores da árvore resultam do hash dos seus descendentes.

Por exemplo, o Hash 1 resulta da combinação dos dois hashes inferiores: Hash 1 = Hash(hash 1-0 + Hash 1-1). No topo da árvore encontra-se o merkle root, também designado Top Hash. O merkle root permite receber qualquer parte da árvore de hashes de uma fonte não confiável, como numa rede peer-to-peer.

Qualquer ramo recebido, que represente uma nova transação, pode ser verificado pelo merkle root de confiança, determinando se o hash foi corrompido ou adulterado. Em vez de transferir o ficheiro completo pela rede, basta enviar o hash e compará-lo com o merkle root para garantir a integridade. Este mecanismo define a criptomoeda como um sistema trustless.

O que é Proof of Reserves?

Na contabilidade tradicional, os registos consistem em livros, diários e balanços, verificados por auditores independentes. Já as plataformas descentralizadas funcionam sem auditores ou verificações manuais das transações. Isto levanta questões essenciais acerca da confiança e da verificação.

Quando os utilizadores depositam criptomoedas numa plataforma, precisam de garantir que os seus fundos permanecem seguros e não são desviados para outros fins. Apesar dos blockchain explorers, a experiência demonstra que nem sempre são totalmente transparentes para impedir abusos. A solução está na conjugação das Merkle Trees com os protocolos de Proof of Reserves.

No intuito de responder às preocupações dos clientes sobre os fundos mantidos em plataformas centralizadas, diversas exchanges implementaram protocolos Proof of Reserves. O Proof of Reserves consiste num relatório de ativos cripto que assegura que o custodiante detém efetivamente os ativos em nome dos utilizadores.

A Merkle tree comprova esta garantia de duas formas principais. Primeiro, os utilizadores podem identificar o seu saldo na árvore e confirmar que os seus ativos integram o saldo total da exchange. Segundo, compara-se o saldo total da exchange com o saldo público da carteira on-chain, determinando assim o Proof of Reserves.

Ao recorrer à Merkle Tree para apresentar dados de transação imutáveis e demonstrar a integridade dos dados por mecanismos de hashing criptográfico e verificação do merkle root, os clientes podem confiar que os seus ativos estão mantidos na proporção 1:1. Este sistema transparente e verificável estabelece a confiança através da matemática, dispensando auditores externos.

Conclusão

As Merkle trees são uma estrutura criptográfica inovadora que permite verificação transparente e eficiente nos sistemas blockchain. Ao criar estruturas hierárquicas de hashes com o merkle root no topo, facilitam a verificação rápida da integridade dos dados sem necessidade de validar o histórico completo da blockchain. O merkle root funciona como ponto central de verificação, permitindo confirmações trustless de todas as transações na estrutura da árvore. Combinadas com protocolos Proof of Reserves, as Merkle trees oferecem aos utilizadores de criptomoeda a certeza matemática de que os seus ativos estão guardados na proporção 1:1 pelas plataformas. Este sistema de verificação trustless revoluciona a forma como os utilizadores controlam os seus ativos, substituindo a confiança cega em instituições centralizadas por uma garantia transparente e comprovada criptograficamente, através da verificação do merkle root. À medida que o ecossistema das criptomoedas evolui, as Merkle trees, a tecnologia merkle root e o Proof of Reserves mantêm-se essenciais para garantir transparência, segurança e confiança nos sistemas financeiros descentralizados.

FAQ

Qual a diferença entre Merkle tree e Merkle root?

Uma Merkle tree é uma estrutura binária para verificação eficiente de dados; o Merkle root é o hash único no topo da árvore, utilizado para validar todos os leaf nodes.

Como calcular o Merkle root?

Faz-se o hash dos leaf nodes, emparelha-se e faz-se hash sucessivamente até restar apenas um hash. Esse último hash é o Merkle root.

Para que serve o Merkle?

Merkle é utilizado para verificação eficiente de dados em blockchain e redes P2P, garantindo a integridade dos dados e provando a sua inclusão em conjuntos de dados maiores.

Que conceitos de Merkle root são aplicados nas blockchains?

Os Merkle roots nas blockchains resumem os dados do bloco num único hash, assegurando a integridade dos dados e permitindo a verificação eficiente do conteúdo do bloco sem processar todas as transações.