La blockchain et les crypto-monnaies constituent un paysage vaste et complexe. De nombreux rouages entrent dans cette machine, dont un élément connu sous le nom d’arbre de Merkle. Les arbres de Merkle jouent un rôle clé dans la fonctionnalité de la blockchain, mais que font-ils exactement ? Comment fonctionne un arbre de Merkle et pourquoi est-il si important dans la technologie de la blockchain ?
Comment fonctionne une blockchain ?
Avant d’aborder la dynamique de l’arbre de Merkle, il est important de comprendre le fonctionnement des blockchains.
En termes simples, une blockchain est une chaîne virtuelle de blocs, chacun contenant son propre ensemble de données. Chaque bloc utilise la cryptographie, en particulier le hachage, pour sécuriser les données et les empêcher de tomber entre les mains d’acteurs malveillants.
Les blockchains sont le plus souvent utilisées dans le secteur des crypto-monnaies, où chaque transaction effectuée avec un actif donné est enregistrée sur sa blockchain native. En outre, chaque transaction est enregistrée chronologiquement et visible par l’ensemble de la blockchain (consultable à l’aide d’outils tels qu’un explorateur de blockchain).
Les transactions sur une blockchain ne peuvent pas être modifiées ou supprimées. Au lieu de cela, les données sont codées à l’aide d’algorithmes mathématiques par le biais d’un processus appelé « hachage ». Ces algorithmes peuvent convertir n’importe quelle longueur de caractères en une longueur fixe et codée.
Lors de l’enregistrement des transactions sur une blockchain, les arbres de Merkle jouent un rôle crucial. Mais comment fonctionne un arbre de Merkle ?
Qu’est-ce qu’un arbre de Merkle ?
Le nom « arbre de Merkle » a deux origines. « Merkle » fait référence à Ralph Merkle, un informaticien et mathématicien américain qui a apporté une contribution massive à la cryptographie à clé publique. Merkle a initialement proposé des arbres de hachage binaires en 1987 dans un article intitulé « A Digital Signature Based on a Conventional Encryption Function » (Une signature numérique basée sur une fonction de cryptage conventionnelle). Merkle a également inventé le hachage cryptographique, qui est utilisé dans l’arbre de Merkle.
La deuxième partie de l’expression « arbre de Merkle » provient de sa structure. Un arbre de Merkle (ou un arbre de hachage binaire) est une structure de données qui ressemble à un arbre. Les arbres de Merkle contiennent des « branches » et des « feuilles », chaque « feuille » ou « branche » contenant le hachage d’un bloc de données.
En bref, un arbre de Merkle rationalise le processus de stockage des hachages transactionnels sur une blockchain. Il regroupe toutes les transactions d’un même bloc et les encode efficacement pour un stockage plus sûr et plus rapide sous la forme d’un hachage. Grâce à l’arbre de Merkle, la validité des données peut être rapidement évaluée au moyen d’un hachage final. Cela simplifie le processus de stockage des données tout en préservant l’intégrité de la sécurité.
Les arbres de Merkle ne nécessitent pas non plus beaucoup de ressources informatiques. En fait, ils réduisent l’espace de stockage requis pour les données en compilant plusieurs hachages de transactions en un seul. L’utilisation des ressources est depuis longtemps un sujet de discorde dans le secteur de la cryptographie, car les réseaux de chaînes de blocs peuvent être très gourmands en espace de stockage et en énergie. L’utilisation des arbres de Merkle permet donc d’atténuer ce problème. Le stockage des données sur la chaîne peut également être coûteux. L’utilisation des arbres de Merkle pour réduire la quantité de données peut donc aider les plateformes de blockchain à économiser de l’argent.
De plus, le processus de l’arbre de Merkle ne prend pas beaucoup de temps, ce qui est une bonne nouvelle en termes d’efficacité. Après tout, de nombreuses blockchains ont été critiquées pour leurs longs délais de transaction (y compris le Bitcoin), donc tout processus qui peut aider à résoudre ce problème est un plus.
Les arbres de Merkle sont utilisés dans de nombreux domaines de l’informatique (en particulier la cryptographie et le chiffrement), mais ils sont souvent connus pour leur présence dans les blockchains de crypto-monnaies. Bitcoin, Ethereum, Dogecoin et toutes les autres crypto-monnaies utilisent l’arbre de Merkle, c’est donc sans aucun doute un élément important.
Comment cela fonctionne-t-il ?
Comment fonctionne un arbre de Merkle ?
Le diagramme ci-dessous illustre le fonctionnement d’un arbre de Merkle. Notez qu’en réalité, il y aurait beaucoup plus de transactions et de hachages par arbre, mais cette image simplifie le processus pour que vous puissiez vous faire une idée des étapes impliquées.
Le diagramme de l’arbre de Merkle semble un peu complexe. Mais le processus de hachage de l’arbre de Merkle est assez simple lorsqu’il est décomposé.
Le processus de l’arbre de Merkle comporte plusieurs étapes. Les hachages situés en bas de l’arbre de Merkle sont appelés feuilles, tandis que les hachages situés au milieu de l’arbre sont appelés branches. Les branches sont aussi parfois appelées nœuds non feuillus. Tout en bas du diagramme se trouvent les blocs de données (ou transactions) à partir desquels le hachage émergera.
Les transactions initiales de chaque nœud sont hachées par paires, un seul hachage restant comme résultat. Ensuite, les paires de paires sont hachées de manière répétée jusqu’à ce qu’un seul hachage émerge, et le processus se termine. S’il y a un nombre impair de transactions dans un bloc, une transaction sera dupliquée afin qu’elle puisse être associée à l’originale pour le hachage.
Bien que le hachage final apparaisse en haut du diagramme ci-dessus, il est connu sous le nom de « racine » de l’arbre (le hachage de la racine). La racine est essentiellement le hachage final de tous les hachages individuels des transactions stockées dans le bloc. Un arbre de Merkle est nécessaire par bloc, ce qui signifie que chaque bloc a un champ de données racine Merkle.
Si vous avez déjà étudié les blockchains en profondeur, vous avez peut-être entendu parler de la racine de Merkle ou du hachage de Merkle. Dans un bloc, il existe ce que l’on appelle un hashMerkleRoot. Ces données (le hachage final à la fin de l’arbre) sont conservées dans l’en-tête d’un bloc donné. Un bloc de blockchain contient également d’autres données, telles que l’horodatage, le numéro de version de l’actif et le « nonce » (numéro utilisé une seule fois).
Les blockchains peuvent-elles fonctionner sans les arbres de Merkle ?
Bien que les arbres de Merkle ne soient pas absolument nécessaires à l’existence d’une blockchain, ils jouent un rôle extrêmement important dans la sécurisation des données.
Sans arbres de Merkle, les blockchains de crypto-monnaies nécessiteraient plus de ressources et de temps pour mener à bien des processus clés. Tout d’abord, chaque nœud du réseau devrait conserver sa propre copie de chaque transaction effectuée sur la blockchain. Sur les grandes blockchains, des centaines de milliers de transactions peuvent avoir lieu en l’espace d’une seule journée, de sorte que l’ajout d’un tel volume de données à la copie de chaque nœud consommerait indubitablement beaucoup de ressources.
De plus, les arbres de Merkle jouent un rôle important dans la vérification des données. Grâce au hachage unique de la racine à la fin de l’arbre, les validateurs et les mineurs peuvent vérifier si le bloc, dans son ensemble, est valide pour être ajouté à la blockchain. La possibilité d’authentifier les données sans passer au crible chaque transaction est un atout qui permet d’économiser du temps et de l’espace de stockage.
Les arbres de Merkle sont essentiels à la fonctionnalité de la blockchain
Il est indéniable que les arbres de Merkle offrent aux blockchains sécurité et efficacité sans prendre beaucoup de place. Ce processus cryptographique astucieux permet aux blockchains de fonctionner de manière transparente sans nécessiter une utilisation excessive des ressources. Les arbres de Merkle ne sont pas indispensables, mais ils sont extrêmement utiles en termes de temps, d’espace de stockage et d’authentification des données.
