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

No contexto da tecnologia blockchain e das criptomoedas, é fundamental entender os mecanismos que garantem a segurança e a transparência. Este artigo explica o que é uma Merkle tree e o seu papel essencial na Proof of Reserves, trazendo confiança aos utilizadores quanto à custódia dos seus ativos digitais.

Antes de mais, o que é um "hash"?

O hash é o elemento central da segurança blockchain e imprescindível para compreender conceitos avançados como as Merkle trees. Um hash corresponde a uma sequência única e imutável de números e letras, gerada a partir de um conjunto de dados de qualquer dimensão. Nas aplicações de blockchain, este conjunto pode ser praticamente ilimitado, o que torna os hashes especialmente versáteis.

O hash é gerado através de uma função de hash criptográfica, que converte dados de entrada numa cadeia de caracteres de comprimento fixo. Nas redes blockchain, cada novo bloco é ligado criptograficamente ao anterior por este mecanismo de hashing, formando uma cadeia inquebrável, na qual cada bloco contém o hash do bloco precedente, o que garante a integridade de todo o historial da blockchain.

Uma das características essenciais das funções de hash é a sua extrema sensibilidade a alterações. Qualquer modificação no conjunto de dados resulta numa alteração completa do respetivo hash, produzindo um resultado totalmente diferente. Esta transformação é irreversível—uma vez convertido em hash, não é possível recuperar os dados originais. É esta propriedade que confere às blockchains o carácter 'criptográfico' e assegura uma proteção robusta contra manipulação não autorizada de dados.

A função de hash criptográfica é o pilar fundamental que permite à blockchain ser imutável e resistente à adulteração. Como cada bloco está ligado aos anteriores e seguintes, qualquer tentativa de modificar dados históricos obriga ao recálculo de todos os hashes subsequentes, tornando praticamente impossível efetuar alterações fraudulentas sem serem detetadas.

O Transaction Hash (Tx Hash) é uma aplicação prática deste conceito. Trata-se de um identificador único gerado para cada transação de criptomoeda, servindo como prova criptográfica de que a transação foi validada e registada de forma permanente na blockchain.

E o que é afinal uma Merkle Tree?

Compreender o que é uma Merkle tree é essencial para perceber como funciona a verificação na blockchain. Patenteada por Ralph Merkle em 1979, a Merkle Tree apresenta uma solução elegante para o desafio de verificar grandes volumes de dados em redes descentralizadas de forma eficiente. Na sua essência, a Merkle Tree é uma estrutura em 'árvore' de hashes que permite uma validação rápida dos dados da blockchain.

Quando há transações numa rede descentralizada peer-to-peer, é fundamental garantir a consistência entre todos os nós participantes. Sem um mecanismo eficiente de verificação, seria necessário validar continuamente todas as transações da blockchain—um processo totalmente ineficaz e impraticável à medida que a rede cresce.

Recorrendo a uma analogia prática, imagine que tem uma geladaria e precisa de calcular os lucros e prejuízos relativos a janeiro. Ao somar manualmente prejuízos (como salários) e receitas (pagamentos de clientes) com papel e caneta, descobre um erro de lançamento no pagamento de natas e açúcar do dia 5 de janeiro. Corrigir esse erro obriga a recalcular todas as entradas seguintes até ao final do mês—um processo moroso e pouco eficiente.

Nesta analogia, uma função de hash criptográfica funciona como o Excel ou um software de contabilidade, onde qualquer alteração numa entrada atualiza automaticamente todos os cálculos relacionados, sem necessidade de revisão manual dos registos subsequentes. Contudo, em vez de atualizar totais numéricos, o transaction hash (Tx Hash) transforma-se numa sequência aleatória distinta, refletindo alterações nas transações da blockchain. Esta eficiência demonstra o valor da função de hash, também conhecida como Merkle Tree.

Tal como um gerador avançado de palavras-passe, os dados são convertidos numa sequência alfanumérica aleatória (o hash) e associados à respetiva transação na blockchain, formando uma estrutura hierárquica em 'árvore' de hashes, ou Merkle tree. As Merkle trees permitem verificar rapidamente dados transferidos entre computadores numa rede peer-to-peer, garantindo que os blocos trocados entre pares chegam intactos e sem alterações.

Uma Merkle Tree é composta por folhas ou nós folha, que correspondem a hashes de blocos de dados, como transações individuais da blockchain. Os nós superiores resultam da combinação dos hashes dos seus filhos. Por exemplo, o hash 1 é obtido pela combinação dos dois hashes abaixo na árvore—matematicamente: Hash 1 = Hash(hash 1-0 + Hash 1-1).

O topo da árvore corresponde ao Top Hash, também designado root. Este Top Hash tem uma função essencial: permite que qualquer ramo da árvore de hashes seja recebido de uma fonte não confiável, como participantes numa rede peer-to-peer. Ao receber um novo ramo (uma nova transação), é possível verificar se corresponde ao top hash de confiança, detetando se o hash foi corrompido ou falsificado por um agente malicioso.

Na prática, em vez de transmitir um ficheiro completo pela rede, basta enviar o hash do ficheiro e compará-lo com o Top Hash para garantir que não foi comprometido. Este mecanismo é fundamental para que a criptomoeda seja considerada um sistema 'trustless'—dispensa a confiança num agente específico para a verificação.

Na contabilidade financeira convencional, utilizamos registos, livros e balancetes, tal como no exemplo da geladaria. Todos os registos financeiros são revistos e validados por um auditor externo, que assinala discrepâncias e só valida os livros quando tudo está corretamente conciliado.

Mas e nos exchanges centralizados que funcionam sem auditores externos ou supervisão humana das transações? Se depositar um ETH numa plataforma de exchange centralizada, como pode verificar que o seu depósito permanece seguro ao longo do tempo? Que garantia tem de que o exchange não utiliza os fundos para outros fins? O saldo apresentado pode ser insuficiente para garantir segurança—e, de facto, é.

Apesar dos explorers de blockchain existentes, a experiência mostra que nem sempre são suficientemente transparentes para proteger contra eventuais fraudes. É necessário encontrar uma solução eficaz e duradoura, concebida para proteger os detentores de tokens—não apenas os exchanges. É precisamente aqui que a compreensão da Merkle tree e da Proof of Reserves se torna fundamental.

O que é a Proof of Reserves?

Para responder às preocupações dos clientes sobre os fundos cripto detidos em exchanges centralizados, muitos operadores implementaram protocolos de Proof of Reserves, recorrendo à Merkle tree para garantir transparência verificável.

A Proof of Reserves consiste num relatório completo dos ativos digitais que comprova que o custodiante detém realmente os ativos que declara em nome dos seus utilizadores. Os exchanges utilizam a estrutura da Merkle tree (árvore de hashes) para demonstrar esta garantia através de dois métodos distintos de verificação:

Primeiro, cada utilizador pode localizar o seu saldo na estrutura da árvore e verificar que os seus ativos estão incluídos no saldo total do exchange. Isto permite a cada utilizador validar de forma autónoma os seus próprios ativos, sem divulgar informação sensível de outros utilizadores.

Segundo, o saldo total do exchange é comparado com o saldo público da wallet on-chain para determinar a Proof of Reserves. Esta comparação permite confirmar, a nível global, que o exchange possui ativos suficientes para cobrir todos os saldos dos clientes.

Através da Merkle Tree, exibindo dados de transações imutáveis e comprovando que não foram adulterados pelo mecanismo de hashing criptográfico, os clientes dos exchanges podem confiar que os seus ativos estão cobertos numa proporção de 1:1. Ou seja, para cada token apresentado no saldo do cliente, o exchange detém efetivamente um token equivalente em reserva.

Conclusão

Compreender o conceito de Merkle tree é fundamental para perceber como a tecnologia blockchain garante segurança e transparência. As Merkle trees são uma inovação estrutural que permite verificar de forma eficiente grandes volumes de dados sem sacrificar a segurança. Com funções de hash criptográficas, as árvores criam um registo imutável que pode ser rapidamente validado em redes descentralizadas. A aplicação das Merkle trees em protocolos de Proof of Reserves responde a uma necessidade central do ecossistema cripto—proporcionar uma prova transparente e verificável de que os exchanges centralizados detêm realmente os ativos que afirmam custodiar para os seus utilizadores. Esta tecnologia transforma a relação entre exchanges e clientes, substituindo a confiança cega por uma verificação criptográfica, e materializa os princípios essenciais de transparência e ausência de confiança que sustentam todo o universo das criptomoedas. À medida que o setor evolui, mecanismos como a Proof of Reserves com Merkle trees tornam-se cada vez mais relevantes para reforçar a confiança e proteger os ativos dos utilizadores na economia digital.

FAQ

Qual é o significado de Merkle?

Merkle é um apelido alemão que significa 'guardião da fronteira'. No universo cripto, é reconhecido pela Merkle tree, uma estrutura de dados utilizada para verificação eficiente na tecnologia blockchain.

Para que serve uma Merkle?

A Merkle tree é utilizada para verificação e sincronização eficiente de dados em sistemas distribuídos, assegurando a integridade da informação.

Qual é a diferença entre Merkle e hash trees?

As Merkle trees são hierárquicas, com log n níveis, enquanto as hash trees são estruturas mais simples, de apenas 2 níveis. As Merkle trees permitem uma verificação da integridade dos dados mais eficiente.