O que são Merkle trees e como permitem a Proof of Reserves?

As Merkle trees constituem uma estrutura criptográfica essencial que assegura a verificação e a segurança no ecossistema blockchain. Compreender o seu funcionamento é imprescindível para perceber como as exchanges de criptomoedas modernas conseguem demonstrar as suas reservas e garantir transparência aos utilizadores através de mecanismos de prova Merkle.

Antes de mais, o que é um "hash"?

Um hash é o elemento fundamental da segurança no blockchain e das estruturas Merkle tree. Essencialmente, trata-se de uma sequência única e imutável de números e letras, gerada por um processo criptográfico a partir de um conjunto de dados de qualquer dimensão. No contexto do blockchain, este conjunto pode ser, em teoria, ilimitado.

A função de hash criptográfico é determinante para a integridade da blockchain. Sempre que um novo bloco é adicionado, este liga-se intrinsecamente ao anterior através desta função. O mecanismo converte os dados de cada bloco numa sequência única que não pode ser alterada sem modificar simultaneamente o hash do bloco anterior e, como consequência, todo o registo histórico da blockchain.

Este princípio garante que qualquer alteração no conjunto de dados gera uma modificação correspondente no hash. O processo é unidirecional—após a conversão em hash, não é possível recuperar a informação original. Esta característica está na base da natureza criptográfica do blockchain, tornando os dados consideravelmente mais seguros contra tentativas de descodificação não autorizadas.

A função de hash criptográfico permite que as blockchains sejam imutáveis e resistentes a manipulações, pois cada bloco mantém ligações diretas aos blocos anteriores e seguintes. Nas transações de criptomoedas, o Transaction Hash (Tx Hash) serve de identificador exclusivo, gerado por cada operação, funcionando como prova criptográfica de que a transação foi validada e inserida de forma permanente no registo da blockchain.

Então, o que é uma Merkle Tree?

Patenteada por Ralph Merkle em 1979, a Merkle Tree representa uma aplicação inovadora das funções de hash, criando uma estrutura em árvore de hashes. Esta abordagem responde a um desafio de eficiência essencial nas redes descentralizadas.

Quando se inicia uma transação numa rede descentralizada peer-to-peer, qualquer alteração na blockchain exige verificação de consistência em todos os nós participantes. Sem uma função de hash eficiente, seria necessário validar continuamente todas as transações, tornando o processo incomportável em larga escala.

Recorrendo a uma analogia prática, imagine gerir uma geladaria em que precisa de calcular lucros e perdas de janeiro. Se, ao somar manualmente valores como salários e receitas, detetar um erro nas compras a 5 de janeiro, corrigir essa transação obriga a recalcular todos os saldos seguintes até ao final do mês—um processo moroso e ineficaz.

Com uma função de hash criptográfico, o sistema funciona como um software de contabilidade ou Excel, permitindo atualização automática sempre que há alterações, sem necessidade de reprocessar toda a contabilidade. Em vez de valores alterados mudarem um total, o transaction hash (Tx Hash) converte-se numa nova sequência aleatória, refletindo as alterações na blockchain. Esta é a utilidade prática das funções de hash e, em especial, da Merkle Tree.

Tal como um gerador avançado de palavras-passe, os dados convertem-se numa sequência alfanumérica aleatória (hash) e ligam-se à respetiva transação, formando a árvore de hashes—Merkle tree. Estas estruturas permitem verificar rapidamente dados transferidos entre computadores em redes peer-to-peer, assegurando que os blocos transmitidos permanecem intactos e inalterados.

Num sistema de criptomoedas, a Merkle Tree é composta por folhas ou leaf nodes—hashes que representam blocos de dados, como transações blockchain. Os nós superiores são hashes dos respetivos nós filhos; por exemplo, hash 1 resulta da combinação dos dois hashes imediatamente inferiores na árvore (Hash 1 = Hash(hash 1-0 + Hash 1-1)).

No topo da árvore encontra-se o Top Hash, também designado raiz. O Top Hash permite receber qualquer ramo da árvore de fontes não confiáveis, como redes peer-to-peer. Assim, qualquer ramo recebido—correspondente a uma nova transação blockchain—pode ser verificado em relação ao top hash fidedigno, determinando se houve manipulação ou corrupção maliciosa. Este processo define a prova Merkle.

Em vez de transmitir um ficheiro completo, basta enviar o hash, que pode ser verificado através do Top Hash para garantir a integridade. Este mecanismo contribui para o caráter “trustless” das criptomoedas, eliminando a necessidade de intermediários de confiança.

O que é a Proof of Reserves?

A contabilidade tradicional utiliza livros, registos e balancetes—tal como no exemplo da geladaria. Todos os registos são auditados por entidades externas, que identificam e corrigem discrepâncias antes de validar os livros.

Em plataformas descentralizadas, não existem auditores externos ou intermediários humanos a monitorizar transações. Isto levanta questões essenciais: se depositar um ETH numa plataforma centralizada, como pode garantir que o depósito se mantém? Que garantias tem de que a plataforma não utiliza os fundos para outros fins? O saldo apresentado pode não ser suficiente—e essa desconfiança é legítima.

Apesar da existência de blockchain explorers, a experiência mostra que nem sempre oferecem transparência suficiente para evitar abusos. A solução sustentável para proteger os titulares de tokens reside na implementação de Merkle Trees e protocolos Proof of Reserves com verificação integral via prova Merkle.

Com o objetivo de reforçar a confiança dos clientes em plataformas centralizadas, várias exchanges lançaram protocolos Proof of Reserves. Esta prova consiste num relatório pormenorizado dos ativos cripto, garantindo que o custodiante possui efetivamente os ativos que declara em nome dos utilizadores.

As plataformas recorrem à Merkle tree (árvore de hashes) para fundamentar esta garantia por duas vias. Primeiro, o utilizador pode localizar o seu saldo na árvore e comprovar que o ativo está incluído no total através de uma prova Merkle. Segundo, o saldo total é comparado com o saldo on-chain da wallet publicamente divulgado, estabelecendo assim a Proof of Reserves.

Ao utilizar a Merkle Tree para apresentar dados de transação imutáveis e provar, através de hash criptográfico e prova Merkle, que a informação não foi alterada, os clientes mantêm a confiança de que os ativos estão assegurados numa base 1:1, com total transparência e segurança comprovada.

Conclusão

As Merkle trees são uma tecnologia central para a transparência e confiança nos sistemas de criptomoeda. Através das funções de hash criptográfico e das provas Merkle, permitem verificar a integridade dos dados em redes descentralizadas, sem necessidade de validação contínua de toda a blockchain. A adoção das Merkle trees nos protocolos Proof of Reserves resolve questões fundamentais de confiança nas plataformas centralizadas, facultando aos utilizadores a verificação autónoma, via prova Merkle, da correta custódia dos seus ativos. À medida que o ecossistema cripto evolui, as Merkle trees, a verificação por prova Merkle e a Proof of Reserves continuam a ser ferramentas indispensáveis para garantir transparência, segurança e confiança na custódia de ativos digitais.

FAQ

Como gerar uma prova Merkle?

Crie uma Merkle tree aplicando o hash às folhas de dados, depois faça, de forma recursiva, o hash dos pares até à raiz. Para gerar a prova, recolha os hashes dos nós irmãos ao longo do caminho entre a folha de interesse e o nó raiz.

O que é a Merkle proof of inclusion?

A Merkle proof of inclusion confirma que um dado específico pertence a uma Merkle tree, fornecendo ligações de hash até à raiz. Garante a integridade e inclusão da informação sem revelar os dados, sendo amplamente utilizada em blockchains para validação eficiente de transações.

O que significa Merkle?

Merkle designa uma estrutura em árvore criptográfica usada em blockchain para verificar grandes volumes de dados de forma eficiente. Organiza a informação numa árvore de hashes, permitindo validação rápida da integridade dos dados através de um único root hash. O nome deriva de Ralph Merkle, sendo fundamental para a segurança blockchain e viabilizando carteiras SPV.

Para que serve uma Merkle?

As Merkle Trees permitem verificar a integridade dos dados de forma eficiente, agregando múltiplos dados num só hash. Tornam possível validar rapidamente transações e dados sem analisar cada registo individualmente, sendo essenciais para a tecnologia blockchain.