Qu'est-ce qu'un arbre Merkle dans la cryptographie et comment ça marche ?

Les arbres Merkle sont essentiels à la technologie blockchain, mais comment fonctionnent-ils ?

La blockchain et les crypto-monnaies constituent un paysage vaste et complexe. De nombreux rouages entrent dans cette machine, y compris ce qu'on appelle un arbre Merkle. Les arbres Merkle jouent un rôle clé dans la fonctionnalité de la blockchain, mais que font-ils exactement ? Comment fonctionne un arbre Merkle et pourquoi est-il si important dans la technologie blockchain ?

Comment fonctionne une blockchain ?

Avant d'entrer dans la dynamique de l'arbre Merkle, il est important de comprendre comment fonctionnent les 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 garder hors de portée des acteurs malveillants.

Les blockchains sont les plus couramment utilisées dans le secteur des cryptomonnaies, où chaque transaction effectuée avec un actif donné est enregistrée sur sa blockchain native. De plus, chaque transaction est enregistrée chronologiquement et visible par l'ensemble de la blockchain (visible à l'aide d'outils comme un explorateur de blockchain).

Les transactions sur une blockchain ne peuvent être ni modifiées ni supprimées. Au lieu de cela, à l’aide d’un processus appelé hachage, les données sont codées via des algorithmes mathématiques. 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 Merkle jouent un rôle crucial. Mais comment fonctionne un arbre Merkle ?

Qu'est-ce qu'un arbre Merkle ?

Le nom « arbre Merkle » a deux origines. « Merkle » fait référence à Ralph Merkle, un informaticien et mathématicien américain qui a massivement contribué à la cryptographie à clé publique. Merkle a initialement proposé des arbres de hachage binaires en 1987 dans un article intitulé « Une signature numérique basée sur une fonction de cryptage conventionnelle ». Merkle a également inventé le hachage cryptographique, utilisé dans l'arbre Merkle.

La deuxième partie de « l'arbre Merkle » découle de sa structure. Un arbre Merkle (ou un arbre de hachage binaire) est une structure de données qui ressemble un peu à un arbre. Les arbres Merkle contiennent des « branches » et des « feuilles », chaque « feuille » ou « branche » contenant le hachage d'un bloc de données.

En bref, un arbre Merkle rationalise le processus de stockage des hachages transactionnels sur une blockchain. Il regroupe toutes les transactions au sein d’un seul bloc et les code efficacement pour un stockage plus sûr et plus rapide sous la forme d’un seul hachage. À l'aide d'un arbre Merkle, la validité des données peut être rapidement évaluée grâce à un hachage final. Cela simplifie le processus de stockage des données mais maintient également l'intégrité de la sécurité.

Les arbres 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 point de discorde dans l’industrie de la cryptographie, car les réseaux blockchain peuvent représenter une énorme perte d’espace de stockage et d’énergie. Ainsi, l’utilisation des arbres Merkle contribue à atténuer ce problème. Le stockage de données en chaîne peut également être coûteux, donc utiliser les arbres Merkle pour réduire la quantité de données peut aider les plates-formes blockchain à économiser de l'argent.

De plus, le processus de l'arbre Merkle ne prend pas beaucoup de temps, ce qui est une bonne nouvelle en termes d'efficacité. Après tout, de nombreuses blockchains sont conçues pour leurs longs délais de transaction (y compris Bitcoin), donc tout processus pouvant aider à résoudre ce problème est un plus.

Les arbres Merkle sont utilisés dans de nombreux domaines de l’informatique (en particulier la cryptographie et le cryptage) mais sont souvent connus pour leur présence dans les blockchains de cryptomonnaies. Bitcoin, Ethereum, Dogecoin et toutes les autres crypto-monnaies utilisent l'arbre Merkle, c'est donc sans aucun doute un élément important.

Alors, comment ça marche?

Comment fonctionne un arbre Merkle ?

Vous trouverez ci-dessous un schéma du fonctionnement d'un arbre Merkle. Notez qu'en réalité, il y aurait beaucoup plus de transactions et de hachages par arbre, mais cette image simplifie le processus afin que vous puissiez avoir une idée des étapes impliquées.

En regardant cet arbre de Merkle, les choses semblent un peu complexes. Mais le processus de hachage d’arbre Merkle est assez simple une fois décomposé.

Le processus de l'arborescence Merkle comporte quelques étapes. Les hachages au bas de l'arbre Merkle sont appelés feuilles, tandis que les hachages au milieu de l'arbre sont appelés branches. Les branches sont aussi parfois appelées nœuds non-feuilles. Tout en bas du diagramme, vous avez les blocs de données (ou transactions) à partir desquels le hachage va émerger.

Les transactions initiales de chaque nœud sont hachées par paires, avec un hachage restant comme résultat. Ensuite, paire après paire, elles sont hachées à plusieurs reprises en une seule jusqu'à ce qu'un seul hachage apparaisse, où 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 racine). La racine est essentiellement le hachage culminant de tous les hachages individuels des transactions stockées dans le bloc. Un arbre Merkle est requis par bloc, ce qui signifie que chaque bloc possède un champ de données Merkle Root.

Si vous avez déjà étudié en profondeur les blockchains, vous avez peut-être entendu parler de Merkle Root ou de Merkle Hash. Dans un bloc, il existe quelque chose appelé hashMerkleRoot. Ces données (le hachage final à la fin de l'arborescence) sont conservées dans l'en-tête d'un bloc donné. Un bloc blockchain contient également d'autres données, telles qu'un horodatage, le numéro de version de l'actif et le « nonce » (numéro utilisé une seule fois).

Les blockchains peuvent-elles fonctionner sans les arbres Merkle ?

Bien que les arbres 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 Merkle, les blockchains de crypto-monnaie nécessitent plus de ressources et de temps pour mener à bien les processus clés. Premièrement, chaque nœud du réseau devrait conserver sa propre copie de chaque transaction effectuée sur la blockchain. Sur des blockchains plus grandes, des centaines de milliers de transactions peuvent avoir lieu en l'espace d'une seule journée, donc ajouter un tel volume de données à la copie de chaque nœud consommerait sans aucun doute beaucoup de ressources.

De plus, les arbres Merkle jouent un rôle important dans la vérification des données. Grâce au hachage racine unique à la fin de l’arborescence, les validateurs et les mineurs peuvent vérifier si le bloc, dans son ensemble, est valide pour être ajouté à la blockchain. Être capable d'authentifier les données sans passer au crible chaque transaction est un avantage, car il permet d'économiser du temps et de l'espace de stockage.

Les arbres Merkle sont essentiels à la fonctionnalité de la blockchain

Il est indéniable que les arbres Merkle offrent sécurité et efficacité aux blockchains sans prendre beaucoup de place. Cet astucieux processus cryptographique permet aux blockchains de fonctionner de manière transparente sans nécessiter une utilisation excessive des ressources. Les arbres Merkle ne sont pas essentiels mais extrêmement bénéfiques en termes de temps, d'espace de stockage et d'authentification des données.