Si alguna vez te has preguntado cómo las cadenas de bloques verifican los datos sin necesidad de almacenar o verificar cada transacción, la respuesta está en algo llamado árbol de Merkle. No es llamativo ni exagerado, pero es una de las razones por las que Bitcoin, Ethereum y otras cadenas de bloques pueden seguir siendo eficientes, seguras y a prueba de manipulaciones.
Ya sea que te interesen las criptomonedas, la creación de aplicaciones Web3 o simplemente intentes comprender cómo funcionan estos sistemas, comprender los árboles de Merkle es imprescindible.
Por qué los árboles de Merkle son importantes en la cadena de bloques
Las cadenas de bloques dependen de tres factores para funcionar correctamente: integridad de los datos, verificación rápida y eficiencia de almacenamiento. Los árboles de Merkle ofrecen estos tres. Permiten a los nodos verificar si existe una transacción específica en un bloque sin descargar todo el conjunto de datos. Facilitan la detección de incluso los cambios más pequeños en cualquier parte de los datos. Y permiten que las billeteras ligeras funcionen de forma segura sin ser nodos completos.
Bitcoin los utiliza. Ethereum utiliza una versión más avanzada. Y la idea misma ha existido desde la década de 1970.
¿Qué es exactamente un árbol de Merkle?
Un árbol de Merkle es una estructura de datos que organiza los datos de forma que facilita su verificación, seguimiento y resumen. Funciona tomando fragmentos individuales de datos, como transacciones, aplicando un hash a cada uno y luego agrupando esos hashes en pares. Estos pares se vuelven a aplicar un hash, y este proceso se repite hasta que queda un único hash en la parte superior del árbol. Ese hash final se denomina raíz de Merkle.
La raíz de Merkle representa todas las transacciones que se encuentran debajo. Si modificas incluso una sola transacción, la raíz también cambia. Esto es lo que hace que la manipulación sea tan fácil de detectar en los sistemas blockchain.
Cómo funciona un árbol de Merkle en la práctica
Supongamos que tienes cuatro transacciones: T1, T2, T3 y T4. Cada una se codifica mediante hash, creando H1, H2, H3 y H4. Luego, se emparejan así:
H1 y H2 se combinan para formar H12
H3 y H4 se combinan para formar H34
H12 y H34 se combinan para formar la raíz de Merkle
Ahora se tiene un único hash que representa las cuatro transacciones. Si alguien intenta cambiar T2, el hash H2 será diferente, lo que significa que H12 será diferente, lo que significa que la raíz de Merkle final también será diferente. Así es como las cadenas de bloques detectan inconsistencias casi al instante.
Por qué las cadenas de bloques dependen de los árboles de Merkle
Los árboles de Merkle hacen que los sistemas de cadenas de bloques sean eficientes y seguros de varias maneras
Permiten la verificación sin datos completos
No necesitas toda la cadena de bloques para confirmar tu transacción. Unos pocos hashes son suficientes para demostrar que forma parte de un bloque
Preservan la integridad de los datos
Si se modifica algún dato, el hash en la parte superior cambia. Esto hace que la manipulación sea obvia.
Admiten clientes ligeros.
Las billeteras que no almacenan toda la blockchain pueden verificar las transacciones de forma segura mediante pruebas de Merkle.
Ahorran espacio.
En lugar de guardar cada transacción, puedes almacenar o transmitir solo la raíz y algunos hashes.
Cómo encaja la raíz de Merkle en cada bloque
En la mayoría de las blockchains, la raíz de Merkle se almacena en la cabecera del bloque. Esta es la que se procesa mediante hashes durante la minería y vincula un bloque con el siguiente. Si alguien intenta modificar una transacción, la raíz de Merkle cambiará. Esto altera el hash del bloque, lo que interrumpe la conexión con el siguiente bloque. Esta ruptura expone inmediatamente la manipulación y mantiene la cadena segura.
¿Qué es una prueba de Merkle?
Una prueba de Merkle es una ruta mínima de hashes que prueba que un dato específico está incluido en un árbol de Merkle. En lugar de enviar el bloque completo, se envían los hashes necesarios para reconstruir la raíz de Merkle y confirmar que la transacción se realizó.
Esto es lo que impulsa la verificación simplificada de pagos, también llamada SPV. Las billeteras livianas usan SPV para confirmar que una transacción se incluyó en un bloque válido sin almacenar toda la cadena de bloques.
Árboles de Merkle más allá de las criptomonedas
Este concepto no es exclusivo de la cadena de bloques. Los árboles de Merkle se utilizan en muchas áreas de la informática.
En Git, ayudan a rastrear los cambios en los archivos y el historial de confirmaciones.
En IPFS, verifican fragmentos de archivos en nodos distribuidos.
En bases de datos distribuidas, agilizan y hacen más segura la sincronización.
En los sistemas de almacenamiento en la nube, ayudan a detectar manipulaciones o pérdidas de datos.
Limitaciones de los árboles de Merkle y futuro
Los árboles de Merkle son potentes, pero no perfectos. Su estructura es binaria y rígida, lo que no siempre es la más eficiente en cuanto a espacio. Los árboles muy grandes pueden requerir un gran esfuerzo computacional para actualizarlos o verificarlos.
Ethereum utiliza una estructura modificada llamada Árbol Patricia de Merkle, que gestiona datos clave-valor y facilita la gestión del estado de Ethereum. De cara al futuro, los desarrolladores de Ethereum están explorando algo llamado árboles Verkle. Estos utilizan un tipo diferente de prueba criptográfica que podría reducir el tamaño de los datos y agilizar la sincronización de nodos, lo cual resulta especialmente útil para escalar la red.
Los árboles Merkle pueden parecer abstractos al principio, pero resuelven un problema muy real. Ayudan a que las cadenas de bloques se mantengan descentralizadas, eficientes y seguras. Permiten verificar una transacción sin confiar en nadie. Y son una de las principales razones por las que un sistema descentralizado como Bitcoin puede funcionar.
Entender los árboles de Merkle es como entender las raíces del sistema. No los vemos todos los días, pero lo sostienen todo.
