賢すぎるデータ構造：Merkle tree


今回の冒険のテーマは「Merkle Tree（マクルツリー）」という驚異のデータ構造です。Merkle treeは、ブロックチェーンテクノロジーの不可欠な部分で、その魔法のような力がブロックチェーンを支えています。ではさっそく冒険を始めましょう！

## Merkle treeって何？

まず、このスゴいツリーが何かについて探ってみましょう。Merkle treeは、一言で言うと、データの整合性を保証するためのデータ構造のことを指します。そして、その最上部にあるハッシュ値（Root）がMerkleルートと呼ばれ、ブロックチェーンではブロック内の全てのトランザクションを代表するハッシュ値として機能します。

イメージとしてはこんな感じです：

    Root = Hash(Hash01+Hash23)
                   /            \
            Hash01 = Hash(Hash0+Hash1)        Hash23 = Hash(Hash2+Hash3)
            /            \                    /            \
    Hash0 = Hash(Tx0) Hash1 = Hash(Tx1)  Hash2 = Hash(Tx2) Hash3 = Hash(Tx3)  

この例では、4つのトランザクション（Tx0～Tx3）があるとしています。それぞれのトランザクションは個別にハッシュ化され（Hash0～Hash3）、それらは組になって再度ハッシュ化されます（Hash01とHash23）。最終的にそれらは一つのハッシュ値（Root）に集約されます。このRootこそがMerkle treeとなります。

## ビットコインブロックの解剖

さて、このMerkle treeは、実際にビットコインのブロックにどのように組み込まれているのでしょうか？ビットコインのブロックを解剖してみましょう！

1. **バージョン番号**：ブロックのフォーマットを識別します。
2. **前のブロックのハッシュ値**：これは直前のブロックの識別子で、これによって各ブロックが連鎖します。
3. **Merkleルート**：ブロック内の全てのトランザクションを代表するハッシュ値。まさにMerkle treeのルートです！
4. **タイムスタンプ**：ブロックが生成された時間を示します。
5. **難易度ターゲット**：新たなブロックが追加される際の難易度を示します。これはマイニングの難易度を調整するために用いられます。
6. **ナンス（Nonce）**：マイニング過程で調整される数値。この数値を変更することで、新しいブロックのハッシュ値が難易度ターゲット以下になるように調整します。
7. **トランザクションカウンター**：そのブロックに含まれるトランザクションの数を示します。
8. **トランザクションのリスト**：ブロックに含まれる全てのトランザクションがリスト形式で格納されます。

見ての通り、ビットコインのブロックは上記の情報で構成されています。それぞれが一つのブロックを形成し、新しいブロックが生成されるたびにそれらが連鎖することでブロックチェーンが形成されます。

## Merkle treeの魔法

では、Merkle treeがどのようにブロックチェーンを強化しているのか、その魔法を見ていきましょう。Merkle treeは、データの整合性を高速かつ効率的に確認することができます。これは、特にブロックチェーンのような大量のデータを扱うシステムにおいて、重要な役割を果たします。

更に驚くべきことに、Merkle treeは非常にコンパクトなデータ構造でありながら、その中に無数のトランザクションデータを効率的に収容することが可能です。これにより、ブロックチェーンは膨大な量のデータを安全に、かつ効率的に管理することが可能となります。

もちろんです、より深くMerkle treeの魔法を探るために、その主な特性と用途について説明します。

**1. データの整合性の保証**

Merkle treeは、データの整合性を高度に保証することができます。どのような変更も、それがMerkle treeの最上部、つまりMerkleルートに反映されるからです。たとえ一つのトランザクションの最小の部分でも変更があれば、そのトランザクションのハッシュが変わり、それが親のハッシュを変え、その結果、Merkleルート自体も変化します。これにより、ブロックチェーン上のデータが改ざんされたかどうかをすぐに確認することができます。なんて賢いんだ！！！

**2. 効率的なデータ検証**

Merkle treeのもう一つの特性は、効率的なデータ検証です。あるトランザクションがブロック内に存在するかを確認するために、全てのトランザクションをチェックする必要はありません。代わりに、必要なハッシュ値とMerkleパスだけを利用してその存在を確認することができます。これにより、データ検証のプロセスが高速化し、効率が向上します。なんて賢いんだ！！！

**3. ブロックチェーンのスケーラビリティ**

Merkle treeはブロックチェーンのスケーラビリティを向上させる役割も果たしています。例えば、ライトクライアント（リソースが限られたデバイスで動作するクライアント）は、ブロックチェーン全体をダウンロードすることなく、Merkle treeを利用して必要な情報だけを取得することが可能です。これにより、ブロックチェーンの適用範囲が広がります。

以下、具体例をあげて見ていきましょう

１．ブロックチェーンの効率的な検証：

ある日タカノリ君は、自分のBitcoinのトランザクションが確実にブロックチェーンに記録されているか確認したくなりました。しかし、彼は全てのブロックチェーンデータをダウンロードすることは困難でした。しかし、彼はブロックのMerkleツリーを利用することで、ブロック全体をダウンロードすることなく自分の取引がブロックに含まれていることを確認できました。これはMerkleツリーが、データの特定の部分だけを確認するためのパスを提供するためです。
タカノリ君が取引の確認をするためのステップは次のようになります。

タカノリ君はまず、自分の取引が含まれているとされるブロックのMerkle Root（Merkleツリーの頂点）をダウンロードします。
次に、彼の取引につながるMerkle Path（彼の取引からMerkle Rootまでのハッシュの連鎖）を取得します。
そのMerkle Pathを使用し、自分の取引のハッシュと組み合わせて再計算を行い、ダウンロードしたMerkle Rootと一致するか確認します。
もし一致すれば、彼の取引はそのブロックに含まれていると確認できます。

２．分散ネットワークでのデータの整合性確認：

ある日タカノリ君は、分散ネットワークにおけるデータの整合性を確認したくなりました。彼は各ノードが同じデータを持っているかを確認する必要がありましたが、大量のデータを比較するのは効率が悪いと思いました。そこで彼は、Merkleツリーのルートハッシュを比較することで、効率的にデータの整合性を確認できました。これはMerkleツリーの特性である、一部のデータが変更されるとルートハッシュが変わるためです。

データの整合性を確認するためのステップは次のようになります。

タカノリ君はまず、各ノードからMerkle Rootを取得します。
次に、これらのMerkle Rootを比較します。
もし全てのMerkle Rootが一致すれば、全てのノードが同じデータを保持していると確認できます。

３．IPFSによるファイルの検索と取得：

ある日タカノリ君は、IPFS(InterPlanetary File System)を用いて特定のファイルを検索し、取得したくなりました。IPFSはファイルやブロックをハッシュで識別する分散型ファイルシステムで、Merkleツリーを用いています。彼は特定のハッシュによってファイルを検索し、Merkleツリーを通じてファイルを取得できました。

ファイルを検索し取得するためのステップは次のようになります。

タカノリ君はまず、取得したいファイルのハッシュを知る必要があります。
そのハッシュを使用してIPFSネットワークに問い合わせを行い、ファイルのMerkle Pathを取得します。
そのMerkle Pathを使用して、ファイルの各部分（ブロック）を取得します。
最後に、これらのブロックを組み合わせて完全なファイルを再構成します。


４．スマートコントラクトでのデータ検証：

ある日タカノリ君は、Ethereumのスマートコントラクトを利用して、特定のデータが存在することを証明したくなりました。しかし、彼はスマートコントラクトが実行するためのガス（手数料）を抑えたいと思いました。そこで彼はMerkleツリーを使って、データの存在証明（Proof of Existence）を行いました。具体的なデータを全てスマートコントラクトに渡す代わりに、Merkleツリーのパス（データが存在する証拠）だけを提供することで、計算量と手数料を抑えることができました。

データの存在証明を行うためのステップは次のようになります。

タカノリ君はまず、証明したいデータのMerkle Pathを取得します。
次に、そのMerkle Pathとデータのハッシュをスマートコントラクトに提供します。
スマートコントラクトはそれを使ってMerkle Rootを再計算し、その結果が既知のMerkle Rootと一致するか確認します。
一致すれば、データの存在が証明されます。
## まとめ

以上、Merkle treeの魔法を見てきました。まさに「Merkle Tree構造すげー！」と感じるでしょう。ブロックチェーンテクノロジーの重要な部分を担っているこのテクノロジーは、データの整合性を保証し、ブロックチェーンの信頼性を高めています。このテクノロジーが、私たちの未来の金融システム、サプライチェーン、データ管理などにどのように影響を与えるか、今から楽しみにしています。

そして、最後に一つ。Merkle treeという素晴らしい発明をしたRalph Merkle博士に敬意を表したいと思います。彼の先見の明は、今日の我々がブロックチェーンの可能性を追求し、未来を創造するための礎を築いてくれました。


以上、ビットコインブロックとその核心部であるMerkle treeの探求の旅でした。




［参考資料］
1. Satoshi Nakamoto. "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System." 2008.
2. Ralph C. Merkle. "A Certified Digital Signature." 1989.
3. Andreas M. Antonopoulos. "Mastering Bitcoin: Unlocking Digital Cryptocurrencies." 2014.