Les arbres Merkle sont une structure de données créée dans le but de faciliter la vérification de grandes quantités de données organisées en les reliant à travers diverses techniques cryptographiques et de gestion de l'information.
Dentrez n'importe quel bloque du réseau Bitcoin, nous trouvons une structure appelée "L'arbre Merkel".
Un arbre Merkle est une structure de données divisée en plusieurs couches dont le but est de relier chaque nœud avec une seule racine qui leur est associée. Pour ce faire, chaque nœud doit être identifié avec un identifiant unique (hachage). Ces nœuds initiaux, appelés nœuds enfants (feuilles), sont ensuite associés à un nœud supérieur appelé nœud parent (branche). Le nœud parent aura un identifiant unique résultant du hachage de ses nœuds enfants. Cette structure est répétée jusqu'au nœud racine ou racine Merkle (racine Merkle), dont l'empreinte est associée à tous les nœuds de l'arbre.
Grâce à cette structure unique, les arbres Merkle permettent de relier une grande quantité de données en un seul point (Merkle Root). De cette manière, la vérification et la validation de ces données peuvent devenir très efficaces, n'ayant à vérifier que la racine Merkle au lieu de la structure entière.
Cette conception a été créée par Ralph Merkle, en 1979, afin d'accélérer le processus de vérification de grandes quantités de données.
Comment fonctionne un arbre Merkle?
Un arbre Merkle est une structure qui relie toutes les transactions et les regroupe entre paires pour obtenir un Racine de hachage o "adresse racine ". Ce hachage racine est lié à tous les hachages de l'arbre. Vérifie tout relations d'un réseau serait extrêmement lent et inefficace. Pour cette raison, ce système a été mis en œuvre. Depuis, si un hachage est modifié, tous les autres changeraient jusqu'à atteindre la racine (hachage racine). Cela invalidera l'authenticité des informations pour l'ensemble de l'arbre. C'est précisément cette fonction qui permet aux arbres Merkels d'offrir le haut niveau de sécurité qui les caractérise.
Pour comprendre le fonctionnement d'un arbre Merkle plus en profondeur, examinez l'exemple suivant:
Imaginez un bloc de données qui porte une empreinte ou un hachage unique et irremplaçable. Chacun de ces blocs est en couches dans ce que nous considérerions comme une structure pyramidale. Ces blocs sont liés à une couche supérieure au moyen de ces hachages. De cette façon, les blocs supérieurs pointent toujours vers les blocs inférieurs, mais plus important encore, c'est que le hachage de ces blocs supérieurs est le résultat de la somme des informations contenues dans le nouveau bloc avec le hachage du bloc précédent. De cette manière, à mesure que vous continuez à mettre à l'échelle, la même structure est répétée tandis que tous les blocs sont connectés à un grand bloc de données.
Le fait qu'il fonctionne de cette manière provoque l'altération du hachage d'un bloc, invalidant les hachages du reste des blocs. De cette manière, le système facilite deux choses. Premièrement, cela facilite la vérification des blocs de données. Deuxièmement, il sert de mécanisme pour empêcher la falsification. Ceci est dû au fait que ce mécanisme permet de détecter les changements de hachages dans chaque bloc de données. Si une modification est détectée, l'arborescence entière est invalidée car elle a été modifiée et ses données ne sont pas valides.
Caractéristiques de l'arbre Merkle
Certaines des caractéristiques les plus remarquables des arbres Merkle sont:
- Ils constituent un moyen efficace de générer une structure de données distribuée.
- Ils offrent une grande sécurité et une résistance aux altérations des données.
- Ils permettent un haut niveau de performances de transmission de données dans les réseaux distribués. Grâce à cela, ils réduisent la quantité de données nécessaires à son bon fonctionnement.
- Ils sont peu coûteux et efficaces en termes de calcul lors de la création, du traitement et de la vérification des informations.
- Ils permettent une «dissection» pour des recherches de vérification plus rapides. Tout cela, sans compromettre la sécurité et la traçabilité des transactions effectuées.
- Grâce à la fonction "dissection", ils sont également capables d'économiser des ressources de stockage.
- Ils offrent une grande adaptabilité à différents problèmes informatiques. Grâce à cela, les arbres Merkle ont été largement utilisés dans différents systèmes. Par exemple, les logiciels de base de données, les systèmes de fichiers, les structures de clés publiques, les systèmes de contrôle de version, les réseaux distribués (P2P), entre autres.
Utilise aujourd'hui
Les arbres Merkle ont actuellement un grand nombre d'utilisations dans les systèmes informatiques, et nous en parlerons ici.
Technologie blockchain
L'utilisation des arbres Merkle dans la technologie blockchain c'est vital. Grâce à son utilisation, le logiciel client peut télécharger tout l'historique de la blockchain et le vérifier à la volée. En effet, son utilisation facilite le processus en permettant «prune» (ne prendre qu'une partie de l'historique) l'historique et réduire la taille du téléchargement.
Par exemple, un utilisateur qui souhaite installer un client Bitcoin n'a pas à télécharger tout l'historique de la blockchain. Au lieu de cela, vous pouvez réduire votre téléchargement à quelques centaines ou milliers de blocs derrière. De cette façon, vous avez accès à une version allégée de l'historique plus adaptée à vos besoins.
Contrairement à ce que vous pourriez penser, cela ne réduit pas la sécurité du client. Eh bien, grâce à l'arbre Merkle, il est possible de télécharger un "hachage racine" spécifique et à partir de là, de commencer à créer un historique. Étant donné que ce hachage racine est lié aux blocs qui le précèdent, tout ce que vous avez à faire est de le vérifier. Pour ce faire, vous pouvez vous rendre sur une série de nœuds complets Bitcoin (avec tout l'historique) et vérifier que le "hachage racine" pris correspond. Ayant un consensus absolu sur ce point, le "hachage racine" est donné comme valide. Et à partir de ce moment, l'utilisateur peut parfaitement utiliser son nouveau nœud client Bitcoin.
Systèmes de fichiers
Un autre utilitaire que nous pouvons voir à partir des arbres Merkle se reflète dans les systèmes de fichiers. Un système de fichiers est une structure de données qu'un système d'exploitation utilise pour garder une trace des fichiers qu'il stocke. Normalement, cette structure est appliquée sur un disque dur et même à l'intérieur des cartes mémoire que nos smartphones utilisent.
Certaines de ces créations particulières utilisent les arbres Merkle afin de gérer et garantir l'utilisation correcte des données stockées. Les cas particuliers de mention dans ce groupe sont les systèmes de fichiers ZFS y btrfs.
ZFS connue sous le nom Système de fichiers Zettabyte, est considéré dans le monde de l'informatique comme le meilleur système de classement. Ses capacités dépassent de loin ses adversaires mieux connus sous le nom de NTFS, GRAISSE, exFAT o ext3/4. Il comprend la résistance aux pannes, la récupération et la correction des erreurs, la déduplication des données, la réplication, copie sur écriture (CoW) et une évolutivité élevée. Tout cela en fait une option parfaite pour être déployée dans des environnements critiques. Élaboré par Sun Microsystems et introduit en 2004, il est actuellement le leader des systèmes de fichiers informatiques.
Mais pour y parvenir, ZFS dispose d'un outil secret au milieu de tout son code: l'utilisation extensive et intensive des arbres Merkle. Tout cela afin de disposer d'un système permettant la vérification rapide des données stockées au sein de ses structures. Ses propriétés de récupération d'erreur, de déduplication, de CoW (Copy-On-Write) et de réplication dépendent fortement de cette technique, sinon elle entraînerait un coût de calcul élevé qui compromettrait ses avantages.
Systèmes de contrôle de version
Une autre utilisation des arbres Merkle peut être observée dans les systèmes de versionnage de logiciels, des cas bien connus de Git y Mercuriel. Des deux, le plus connu dans Git, le même qui permet aux plates-formes telles que Gitlab y Github, ou le développement du noyau Linux, ce dernier a été le premier projet à l'utiliser en production, puisque le créateur de Git est Linus Torvalds.
L'utilisation d'arbres Merkle dans ce type de logiciel est liée au système de suivi des modifications au sein du référentiel ou de l'espace de travail où les fichiers sont stockés. De cette manière, chaque changement effectué (nouveaux blocs de données) passe par un processus de hachage qui, en parcourant tout le contenu du référentiel, génère un hachage unique dudit espace de travail, qui est appelé commit.
Ce système de marquage nous permet, par exemple, d'aller sur un commit spécifique pour voir quel était l'état du code du projet à un certain moment, alors que l'état général du projet reste intact. En le voyant de manière plus simple, les arbres Merkle dans Git nous permettent de créer une sorte de machine à remonter le temps, ce qui nous permet de naviguer à travers les différents commits du projet, en conservant les fichiers et leurs modifications tels qu'ils étaient à ce moment précis.
Un utilitaire très utile lors de la conception de logiciels dans des environnements de travail distribués et à fort trafic, comme Linus Torvalds ne l'a pas montré dans son grand projet de noyau Linux.