Comment les arbres de Merkle sont-ils utilisés sur Bitcoin ?

Les arbres de Merkle constituent un élément fondamental de la technologie blockchain. Ils sont utilisés par la plupart des protocoles, à commencer par Bitcoin, qui repose sur le mécanisme de consensus Proof-of-Work. Cependant, ils sont utilisés par la plupart des protocoles pour garantir la sécurité et l’intégrité des données sur le réseau.  Si vous vous intéressez à la reine des cryptomonnaies, vous en avez probablement déjà entendu parler, mais sans vraiment en saisir le fonctionnement. Dans cet article, nous allons vous expliquer de manière précise et détaillée ce que sont les arbres de Merkle et leur utilité pour le réseau Bitcoin. Vous découvrirez également les limites et perspectives de cette technologie.

Qu’est-ce qu’un arbre de Merkle ?

Un arbre de Merkle – encore appelé Merkle Tree ou arbre de hachage – est une structure logique qui permet d’organiser les données dans un système distribué tout en garantissant leur intégrité et leur cohérence. Cette architecture en arborescence est largement utilisée dans les protocoles blockchain, dont Bitcoin, pour s’assurer que les données ne puissent être altérées ou supprimées.

Les arbres de Merkle ont été introduits en 1979 par Ralph Merkle. Ils utilisent des fonctions de hachage cryptographiques pour créer une liaison entre les nœuds de l’arbre. Car en effet, les arbres de Merkle sont constitués de plusieurs nœuds, notamment :

• les feuilles : ce sont les données d’entrée du Merkle Tree. Dans le cas de la blockchain Bitcoin, il s’agit des transactions effectuées sur le réseau et contenues dans chaque bloc. Chaque feuille représente une transaction spécifique ;
• les sous-branches : les feuilles sont d’abord hachées individuellement pour produire des valeurs de hachage uniques pour chaque transaction. Ensuite, ces hashs sont combinées deux par deux, de gauche à droite, pour former des paires de sous-branches. Chaque paire est ensuite hachée à nouveau pour créer un nouvel hash unique qui deviendra une entrée pour la prochaine étape du processus. Si le nombre total de feuilles est impair, la dernière feuille est dupliquée pour former une paire avec elle-même ;
• les branches : ce sont les nœuds parents des sous-branches. Elles sont le résultat du hachage des couples de sous-branches de même niveau hiérarchique. Chaque niveau hiérarchique engendre la création d’un nombre de branches réduit de moitié par rapport au niveau précédent, jusqu’à ce qu’il ne reste qu’un seul nœud, la racine de l’arbre ;
• la racine : appelée racine de Merkle (ou Merkle root), il s’agit du sommet de l’arbre de Merkle. Elle est générée en combinant les deux branches supérieures de l’arbre et en les hachant ensemble. La racine est ensuite utilisée pour représenter l’ensemble des données incluses dans l’arbre de Merkle.

En général, lorsque le nombre de transactions est impair, le système duplique la dernière transaction pour former une paire. Une autre alternative consiste à coupler la transaction solo avec une transaction Coinbase du bloc.

Comment Bitcoin exploite les arbres de Merkle ?

Les Merkle Tree permettent au réseau Bitcoin d’atteindre plusieurs objectifs.

Optimisation du stockage

Bitcoin a été la première blockchain à intégrer les arbres de Merkle. En réalité, Satoshi Nakamoto a explicitement évoqué ce mécanisme dans le Bitcoin white paper. À l’époque, il en parlait comme d’un moyen d’optimiser l’espace de stockage.

En effet, la structure arborescente de l’arbre de Merkle permet de réduire la taille des données à stocker dans la blockchain. Cette optimisation permet aux nœuds complets de se synchroniser plus rapidement au réseau et améliore l’évolutivité de Bitcoin.

Prévention contre la fraude

Chaque bloc du réseau Bitcoin est constitué d’un entête et d’une liste de transactions. Lorsqu’un nouveau bloc est ajouté à la chaîne, sa racine de Merkle est incluse dans l’entête du bloc suivant.

Le but de cette manœuvre est de conserver une trace historique des évènements afin de garantir l’authenticité des données. Ceci, dans la mesure où, si une modification quelconque est effectuée sur une transaction, la racine de Merkle du bloc va changer. Par conséquent, l’on pourra constater une incohérence avec la valeur qui a été mentionnée précédemment dans l’en-tête du bloc suivant.

Simplification du processus de synchronisation et de vérification

Les arbres de hachage permettent de vérifier la validité des transactions sans avoir à télécharger l’intégralité de la blockchain. Chaque arbre résume toutes les transactions du bloc. Ce qui permet aux mineurs de remonter facilement les branches pour déterminer si une transaction est frauduleuse.

Il s’agit d’une méthode efficace que Bitcoin exploite dans le cadre de la vérification de paiements simplifiée, qui est notamment utilisée par les wallets crypto.

Quels sont les limites de l’utilisation des arbres de Merkle dans la blockchain Bitcoin ?

Malgré leur importance et leur utilité dans le fonctionnement de Bitcoin, les Merkle Trees présentent certaines limites.

• Augmentation de la taille des blocs : Avec l’ajout de chaque nouvelle transaction à un bloc, la taille de l’arbre de Merkle correspondant augmente. Cela peut entraîner une augmentation significative de la taille globale du bloc. Ce qui peut rendre plus difficile pour les mineurs et les nœuds du réseau de stocker, synchroniser et valider l’ensemble de la chaîne de blocs. Cette limitation a conduit à des débats dans la communauté Bitcoin concernant la scalabilité du réseau ;
• Augmentation des coûts de calcul : La construction des arbres de Merkle nécessite des ressources de calcul significatives, car chaque niveau de l’arbre dépend des niveaux inférieurs. L’augmentation du nombre de transactions dans un bloc entraîne une augmentation des calculs requis pour générer la racine de Merkle. Cela peut entraîner des coûts plus élevés pour les mineurs et potentiellement des retards dans la validation des blocs ;
• Intégrité des données en cas de forks : Lorsqu’un fork se produit dans le réseau Bitcoin, il peut y avoir des variations dans les transactions incluses dans chaque branche du fork. En conséquence, les arbres de Merkle des différentes branches ne seront pas identiques. Ce qui pourrait créer des problèmes lors de la fusion des forks ou lors de la résolution de conflits ;
• Pré-computation des arbres de Merkle : Les arbres de Merkle sont généralement construits avant l’ajout d’un nouveau bloc à la chaîne. Cela signifie que les mineurs doivent connaître toutes les transactions incluses dans un bloc avant de pouvoir calculer la racine de Merkle et l’inclure dans l’en-tête du bloc. Cela limite potentiellement l’efficacité de certains mécanismes de confidentialité ou de mise à l’échelle qui pourraient nécessiter une construction dynamique des arbres de Merkle ;

• Prise en charge des transactions hors ligne : Dans certaines circonstances, les transactions Bitcoin peuvent être effectuées hors ligne. Cependant, pour inclure ces transactions dans un bloc, elles doivent être ajoutées à l’arbre de Merkle, ce qui peut être un processus complexe et moins pratique.

Les arbres syntaxiques abstraits merkelisés (MAST)

Les arbres de Merkle traditionnels peuvent devenir très volumineux lorsqu’ils sont utilisés pour gérer des contrats intelligents complexes. Cette problématique a engendré le développement de solutions paléatives, dont l’une des plus prometteuses est celle des arbres syntaxiques abstraits merkelisés (MAST).

Les MAST sont une proposition d’amélioration qui vise à améliorer la flexibilité et l’efficacité des arbres de Merkle dans la gestion des smart contracts et des scripts complexes. Ils permettent de découper les scripts en morceaux digestes et de les incorporer sélectivement dans les transactions. 

Les MAST ont pour but de réduire la taille des données associées aux contrats en n’incluant que les branches spécifiques du Merkle Tree nécessaires pour valider une transaction. Cela permet d’économiser de l’espace de stockage sur la blockchain et d’améliorer la confidentialité des contrats en masquant les branches non exploitées.

Cependant, bien que les MAST offrent des avantages significatifs, leur mise en œuvre soulève également des défis. Des questions de compatibilité, de sécurité et de gouvernance doivent être abordées pour garantir une adoption harmonieuse par la communauté Bitcoin. De plus, les implications de l’utilisation des MAST sur la vérification et la taille des blocs doivent être soigneusement étudiées pour éviter toute dégradation de la performance du réseau.

Conclusion

Le rôle des arbres de Merkle dans la blockchain Bitcoin est multidimensionnel. Ils assurent l’intégrité des données, optimisent le stockage, préviennent la fraude et renforcent l’évolutivité du réseau. En lien avec le mécanisme de PoW et le hashrate du réseau, ils contribuent à forger un écosystème sécurisé et digne de confiance, faisant du BTC la référence en matière de crypto. Au fur et à mesure de leur évolution, ils continueront de faciliter la construction d’un système financier décentralisé et fiable pour les générations à venir.