شجرة ميركل

ما هي شجرة ميركل؟

شجرة ميركل هي بنية بيانات تجمع العديد من المدخلات ضمن قيمة عليا واحدة تُسمى جذر ميركل، وذلك عبر تجزئة هرمية. الهدف الأساسي منها هو التحقق بكفاءة مما إذا كان جزء معين من البيانات مشمولاً ضمن مجموعة بيانات. وتعمل شجرة ميركل كبصمة رئيسية للبيانات، حيث تتيح لأي شخص إجراء اختبارات الاشتمال بمعلومات محدودة، بشرط أن يكون الجذر موثوقًا.

يمكن اعتبار دالة التجزئة بمثابة مولد بصمة للبيانات: فكل إدخال متطابق ينتج نفس المخرجات دومًا، في حين أن أي تغيير بسيط في الإدخال يؤدي إلى بصمة مختلفة تمامًا. في شجرة ميركل، يتم تجزئة كل جزء من البيانات ليكوّن عقدة ورقية، ثم تُدمج هذه التجزئات بشكل متكرر لتشكيل تجزئات عقدة الأب، وصولاً إلى الجذر النهائي.

لماذا تعتبر أشجار ميركل مهمة في البلوكشين؟

تتيح أشجار ميركل إمكانية التحقق من وجود معاملة معينة ضمن كتلة ما بطريقة خفيفة دون الحاجة لتحميل بيانات الكتلة بالكامل. تعتمد العُقد الخفيفة (Light nodes)، التي تحتفظ فقط برؤوس الكتل، على إثباتات ميركل لهذا الغرض، في عملية تُعرف بالتحقق المبسط للدفع (SPV).

في شبكات البلوكشين العامة، تعتبر النطاق الترددي ومساحة التخزين موارد ثمينة. بالاستفادة من أشجار ميركل، يحتاج المدققون فقط للوصول إلى جذر ميركل الموجود في رأس الكتلة ومسار مصادقة قصير لتأكيد الاشتمال، مما يقلل بشكل كبير من التكاليف التشغيلية. كما يدعم هذا النظام إثبات الاحتياطيات في المنصات، وقوائم السماح لتوزيع التوكنات (Airdrop)، والتحقق من سلامة بيانات Rollup.

كيف تعمل أشجار ميركل؟

تعتمد أشجار ميركل على ثلاث خصائص رئيسية لدوال التجزئة: عدم القابلية للعكس، ومقاومة التصادم، والحساسية للتغيرات البسيطة في الإدخال. تُجزأ البيانات أولاً إلى عقد أوراق. ثم تُدمج أزواج التجزئات وتُجزأ مرة أخرى لتكوين عقد الآباء. تتكرر هذه العملية حتى يتبقى تجزئة واحدة فقط — وهي جذر ميركل.

للتحقق مما إذا كان إدخال بيانات معين مشمولاً، يكفي وجود تجزئات الأشقاء على طول المسار. يبدأ المُحقق من تجزئة البيانات المستهدفة، ويجمعها بالتسلسل مع كل تجزئة شقيق ويعيد الحساب صعودًا في الشجرة؛ فإذا تطابق الناتج النهائي مع جذر ميركل المنشور، يُعتبر الإدخال مشمولًا. وبما أن كل خطوة تتطلب تجزئة شقيق واحدة فقط لكل مستوى، فإن تكلفة التحقق تنمو لوغاريتميًا مع حجم البيانات (عادةً O(log n)).

كيف يتم توليد جذر ميركل؟

عملية توليد جذر ميركل مباشرة:

الخطوة 1: تجزئة كل إدخال بيانات بشكل منفصل. يجب تطبيع البيانات (مثل توحيد الترميز وإزالة المسافات الزائدة) لمنع اختلاف التنسيق من إنتاج تجزئات مختلفة لمحتوى متطابق.

الخطوة 2: دمج التجزئات المجاورة بترتيب محدد مسبقًا وتجزيئها لتكوين عقد الآباء. الحفاظ على ترتيب ثابت ضروري ليتمكن المُحققون من إعادة إنتاج نفس الجذر.

الخطوة 3: تكرار الخطوة 2 حتى يتبقى تجزئة واحدة فقط — وهي جذر ميركل. إذا كان هناك عدد فردي من الأوراق في أي مستوى، قد تقوم بعض التطبيقات بالاحتفاظ أو تكرار آخر تجزئة حسب المواصفات.

الخطوة 4: تسجيل مسار تجزئات الأشقاء لكل ورقة حتى الجذر؛ ويُستخدم هذا المسار في إثبات ميركل للتحقق المستقبلي.

في بيتكوين، يُستخدم عادةً التجزئة المزدوجة SHA-256 (تجزئة القيم المدمجة مرتين). أما في إيثيريوم، فالمعيار هو Keccak-256. اختيار دالة تجزئة آمنة أمر بالغ الأهمية.

كيف يعمل إثبات ميركل؟

يتكون إثبات ميركل من قائمة تجزئات الأشقاء من الورقة حتى الجذر. ولا يلزم للتحقق سوى هذا المسار والجذر — دون الحاجة لكل البيانات.

الخطوة 1: يقوم المُحقق أولاً بتجزئة البيانات المستهدفة لإنتاج قيمتها كعقدة ورقية.

الخطوة 2: وفقًا للترتيب المحدد، يتم دمج تجزئة الورقة مع أول تجزئة شقيق وتجزيئها لإنتاج عقدة الأب.

الخطوة 3: تتكرر هذه العملية مع كل تجزئة شقيق تالية على طول المسار، مع إعادة الحساب صعودًا في الشجرة.

الخطوة 4: تتم مقارنة القيمة النهائية المحسوبة بجذر ميركل المنشور. إذا تطابقت، يُعتبر الإدخال مشمولًا؛ وإذا لم تتطابق، فإما أن البيانات ليست ضمن المجموعة أو أن الإثبات غير صالح.

نظرًا لأن كل مستوى في الشجرة يتطلب معالجة تجزئة شقيق واحدة فقط، فإن طول الإثبات يتناسب مع ارتفاع الشجرة. يظل التحقق فعالًا حتى مع زيادة حجم البيانات — مما يجعله مناسبًا للتنفيذ في المتصفحات أو الأجهزة المحمولة أو حتى العقود الذكية.

كيف تُستخدم أشجار ميركل في بيتكوين وإيثيريوم؟

في بيتكوين، يحتوي رأس كل كتلة على جذر ميركل الخاص بمعاملاتها. يمكن للمستخدمين تحميل رأس الكتلة فقط ومسار المصادقة ذي الصلة لاستخدام SPV والتحقق من تضمين معاملة معينة — دون الحاجة لاسترجاع الكتلة بالكامل. وتعتمد بيتكوين على التجزئة المزدوجة SHA-256، وقد حافظت على هذا التصميم منذ البداية.

في إيثيريوم، يخزن رأس كل كتلة معاملات transactionsRoot، وإيصالات receiptsRoot، وحالة stateRoot. وتستخدم هذه أشجار Patricia (نوع من القواميس المضغوطة مسبقًا والميركلية) لتخزين الحالة والمعاملات والإيصالات. يمكن للتطبيقات الخارجية استخدام إثباتات المسار للتأكد من تضمين معاملات أو أحداث سجلات محددة؛ وتُعد هذه الجذور والإثباتات أساسًا للرسائل عبر الشبكات (cross-chain)، العُقد الخفيفة، وخدمات الفهرسة.

كيف تُستخدم أشجار ميركل في إثبات الاحتياطيات وقوائم السماح لتوزيع التوكنات في Gate؟

في سيناريوهات إثبات الاحتياطيات للمنصات، يتم غالبًا تجميع تجزئات أرصدة المستخدمين في جذر ميركل واحد من خلال شجرة ميركل، وتزويد كل مستخدم بإثبات ميركل الخاص به. يمكن للمستخدم تحميل إثباته والتحقق من أن حسابه ورصيد التجزئة الخاص به مشمول باستخدام الجذر المنشور — دون الحاجة للوصول إلى بيانات مستخدمين آخرين. في نظام إثبات الاحتياطيات لمنصة Gate، يحتاج المستخدم عادةً فقط للتحقق من الجذر والمسار الخاص به، مما يوازن بين الخصوصية وقابلية التحقق.

أما في سيناريوهات قوائم السماح لتوزيع التوكنات (Airdrop)، فتقوم فرق المشاريع بتجميع قوائم العناوين في جذر ميركل ونشر هذه القيمة في عقد ذكي. أثناء عملية المطالبة، يقدّم المستخدم عنوانه وإثبات ميركل؛ ويتحقق العقد على السلسلة من أن المسار يطابق الجذر المخزن قبل السماح بالمطالبة. وتقلل هذه الطريقة بشكل كبير من التخزين على السلسلة ورسوم الغاز، مع ضمان عدم إمكانية التلاعب بالقوائم بشكل أحادي.

ما الفرق بين شجرة ميركل وشجرة باتريشيا؟

على الرغم من اعتماد كلا الهيكلين على التجزئة لضمان النزاهة، إلا أن تصميمهما واستخداماتهما تختلف. تعمل شجرة ميركل كبصمة رئيسية لمجموعة بيانات — حيث تُدمج المدخلات بشكل ثنائي وصولاً إلى جذر واحد؛ بينما تُعد شجرة باتريشيا قاموسًا مضغوطًا مسبقًا لمفاتيح وقيم، وتدعم البحث والتحديث بكفاءة عبر المسار — مما يجعلها مثالية للحفاظ على حالات الحسابات القابلة للتغيير.

تستخدم إيثيريوم أشجار باتريشيا لأنها تتطلب كفاءة في البحث عن المفاتيح (العناوين أو مواقع التخزين) وتحديثها مع جذور قابلة للتحقق. أما أشجار ميركل التقليدية فهي أكثر ملاءمة للمجموعات الثابتة المنشورة دفعة واحدة — مثل جميع معاملات الكتلة، أو قوائم السماح لتوزيع التوكنات، أو التحقق من أجزاء الملفات.

ما المخاطر والمزالق الشائعة عند استخدام أشجار ميركل؟

اختيار دالة تجزئة مناسبة أمر بالغ الأهمية؛ يجب أن تقاوم التصادمات وهجمات ما قبل الصورة. قد يؤدي استخدام خوارزميات تجزئة قديمة أو ضعيفة إلى تمكين المهاجمين من تزوير مجموعات بيانات مختلفة تنتج نفس الجذر، مما يهدد النزاهة.

غالبًا ما يتم تجاهل مخاطر تطبيع البيانات وترتيبها. يمكن للاختلافات في الترميز أو حالة الأحرف أو المسافات الزائدة أن تتسبب في إنتاج تجزئات مختلفة لمحتوى مقروء بشريًا متطابق؛ كما أن الترتيب غير المتسق قد يمنع المشاركين من إعادة بناء جذور متطابقة ويجعل الإثباتات غير صالحة.

يجب أيضًا مراعاة الخصوصية وتسرب المعلومات. فعلى الرغم من أن إثباتات ميركل تكشف عادةً فقط عن تجزئات المسار، إلا أنه في بعض الحالات (مثل إثباتات الأرصدة)، قد يؤدي غياب التمليح أو إخفاء الهوية إلى كشف معلومات هيكلية حساسة. من الشائع إضافة أملاح أو تجزئة الملخصات فقط — وليس البيانات الخام — في الأوراق.

فيما يتعلق بأمان الأموال: الإدراج في إثبات احتياطيات منصة ما لا يضمن ملاءة المنصة بالكامل؛ يجب على المستخدمين أيضًا مراعاة الالتزامات، والأرصدة على السلسلة، وتقارير التدقيق قبل اتخاذ قرارات مالية. عليك دائمًا تقييم مخاطر المنصة والسلسلة قبل التصرف.

أهم النقاط حول أشجار ميركل والخطوات التالية

تستخدم أشجار ميركل التجزئة لتجميع مجموعات بيانات ضخمة في قيمة جذر واحدة — ما يتيح التحقق بكفاءة عالية من الاشتمال بمعلومات محدودة. ولهذا فهي بنية أساسية للعُقد الخفيفة في البلوكشين، والرسائل عبر الشبكات، وتوزيع التوكنات، وأنظمة إثبات الاحتياطيات. إن فهم خصائص التجزئة، وقواعد البناء، ومسارات الإثبات ضروري لإتقان استخدامها.

للتعلم العملي: ابدأ بتوليد جذر ميركل محليًا من مجموعة بيانات صغيرة وأنشئ أو تحقق من مسار مصادقة لإدخال واحد؛ ثم تحقق من مستكشفات الكتل لجذور ميركل في رؤوس كتل بيتكوين أو معاملات/إيصالات إيثيريوم؛ وأخيرًا جرب دمج منطق التحقق في العقود الذكية أو تطبيقات الواجهة الأمامية. بهذه الطريقة التدريجية من النظرية إلى التطبيق، ستكتسب فهمًا عميقًا لسبب كفاءة وموثوقية وانتشار أشجار ميركل في Web3.

الأسئلة الشائعة

كيف تتحقق شجرة ميركل من البيانات بالضبط؟

تتحقق شجرة ميركل من البيانات من خلال التجميع الهرمي لقيم التجزئة. يحصل كل جزء من البيانات على تجزئته الخاصة؛ ثم تُدمج التجزئات المجاورة وتُجزأ مرة أخرى طبقة بعد طبقة، لتشكيل بنية مثلثية مقلوبة تنتج في النهاية جذر ميركل الفريد. إذا تم التلاعب بأي جزء من البيانات الأساسية، يتغير جذر ميركل بالكامل — ما يجعل اكتشاف الاختلافات فوريًا وسهلًا.

لماذا يمكن للمحافظ الخفيفة التحقق من المعاملات دون تنزيل الكتل الكاملة؟

تستفيد المحافظ الخفيفة من إثباتات ميركل: فهي تحتاج فقط لتخزين رؤوس الكتل التي تحتوي على جذر ميركل. من خلال طلب معاملات محددة ومسارات ميركل المقابلة لها من العُقد الكاملة — والتحقق مما إذا كان التجزئة صعودًا في هذا المسار يعيد إنشاء الجذر المنشور — يمكن للمحفظة الخفيفة تأكيد صحة المعاملة دون الحاجة لتخزين كميات ضخمة من بيانات البلوكشين.

لماذا يُستخدم شجر ميركل لقائمة السماح في Airdrop الخاصة بـ Gate بدلاً من تخزين العناوين مباشرة؟

يستهلك تخزين قوائم السماح الكاملة مباشرة في العقود الذكية مساحة تخزين كبيرة — مما يؤدي إلى تكاليف مرتفعة وعدم الكفاءة. باستخدام شجرة ميركل، يُخزن فقط جذر واحد بحجم 32 بايت على السلسلة؛ وعند المشاركة في التوزيع، يقدم المستخدم عنوانه ومسار المصادقة بحيث يمكن للعقد التحقق بكفاءة من الأهلية مع توفير التكاليف وحماية الخصوصية.

ماذا يحدث إذا تم التلاعب بتجزئة عقدة وسيطة في شجرة ميركل؟

إذا تم تعديل تجزئة عقدة وسيطة، تتأثر جميع تجزئات عقد الآباء فوقها — مما يؤدي في النهاية إلى تغيير جذر ميركل نفسه. ويتم اكتشاف هذا التلاعب فورًا لأنه ينتج جذرًا غير صالح لا يمكن مطابقته أثناء التحقق. وتدعم هذه الخاصية عدم القابلية للتلاعب في أشجار ميركل: حتى التغييرات الطفيفة تُكشف على الفور.

هل هناك استخدامات لأشجار ميركل في إدارة عناوين المحافظ؟

تُستخدم أشجار ميركل أساسًا للتحقق من سلامة البيانات وإنشاء إثباتات مختصرة — وليس لإدارة عناوين المحافظ مباشرة. ومع ذلك، قد تستفيد بعض محافظ التوقيع المتعدد أو المحافظ الهرمية الحتمية من أشجار ميركل لتنظيم أو التحقق من صحة المفاتيح المشتقة — بما يضمن الشفافية وقابلية التحقق في جميع عمليات الاشتقاق.