Prova de Merkle

O que é uma prova de Merkle?

Uma prova de Merkle é uma prova criptográfica que mostra que um dado pertence a um conjunto maior representado por uma raiz de Merkle.

No universo cripto, as provas de Merkle são usadas para verificar transações, endereços de carteira, saldos de tokens, estados de contas, valores de armazenamento, elegibilidade para airdrops, whitelists de NFT e outros dados de blockchain.

Uma prova de Merkle também é chamada de prova de Árvore de Merkle, pois comprova a inclusão de um item em uma Árvore de Merkle.

O principal objetivo de uma prova de Merkle é permitir uma verificação eficiente.

Em vez de baixar ou armazenar o conjunto de dados inteiro, o verificador precisa apenas dos dados em questão, de uma pequena lista de hashes relacionados e da raiz de Merkle confiável.

A documentação de desenvolvimento do Bitcoin explica que os hashes das transações são agrupados em pares e processados repetidamente até restar uma única raiz de Merkle no cabeçalho do bloco.

Esse modelo permite que os sistemas blockchain comprovem a inclusão de dados de forma compacta e segura.

Como funciona uma prova de Merkle

Uma prova de Merkle funciona reconstruindo o caminho de um dado até a raiz de Merkle.

Primeiro, o dado é processado por um hash para formar uma folha.

Em seguida, a prova fornece os hashes irmãos necessários para subir pela árvore.

O verificador combina o hash da folha com o primeiro hash irmão e processa o resultado.

Depois, combina esse resultado com o próximo hash irmão e processa o par novamente.

Esse processo continua até que uma raiz final seja calculada.

Se a raiz calculada corresponder à raiz de Merkle confiável, a prova será válida.

Se a raiz calculada não corresponder, a prova será inválida.

Isso significa que uma prova de Merkle pode verificar um item sem mostrar todos os outros itens do conjunto de dados.

Por que as provas de Merkle são importantes no universo cripto

As provas de Merkle são importantes porque as blockchains precisam verificar grandes conjuntos de dados sem exigir que todos os usuários processem os dados diretamente.

Um bloco de blockchain pode incluir muitas transações.

Um airdrop de contrato inteligente pode incluir milhares ou milhões de carteiras elegíveis.

Um banco de dados do estado da blockchain pode incluir contas, saldos, código de contratos e valores de armazenamento.

As provas de Merkle tornam esses sistemas mais eficientes, permitindo verificar uma entrada específica com uma pequena prova.

Isso pode reduzir a largura de banda, o armazenamento e os custos de gas on-chain.

Também ajuda light clients, contratos inteligentes, bridges, rollups e aplicativos de carteira a verificar dados com menos dependência de um servidor central.

Raiz de Merkle

Uma raiz de Merkle é o hash final no topo de uma Árvore de Merkle.

Ela funciona como uma impressão digital compacta de todos os dados da árvore.

Se uma folha mudar, os hashes dos níveis superiores também mudarão, assim como a raiz de Merkle.

Isso torna a raiz de Merkle útil como compromisso com um grande conjunto de dados.

A raiz, por si só, não revela o conjunto de dados inteiro.

Ela apenas fornece um ponto de referência para que os verificadores confiram as provas de Merkle.

Uma prova de Merkle só tem valor quando o verificador confia na raiz ou consegue verificá-la por meio do consenso da blockchain.

Exemplo de prova de Merkle

Imagine uma lista de airdrop com quatro endereços de carteira e valores de reivindicação.

Cada registro de endereço e valor é processado por um hash para formar uma folha.

A primeira e a segunda folhas são combinadas e processadas para criar um hash pai.

A terceira e a quarta folhas são combinadas e processadas para criar outro hash pai.

Esses dois hashes pais são então combinados para criar a raiz de Merkle.

Se a carteira um quiser fazer uma reivindicação, enviará seu endereço, o valor da reivindicação e os hashes irmãos necessários para reconstruir a raiz.

O contrato inteligente verifica a prova em relação à raiz armazenada.

Se a prova corresponder, o contrato saberá que o registro da reivindicação pertence ao conjunto de dados original.

Provas de Merkle no Bitcoin

O Bitcoin usa Árvores de Merkle para resumir as transações de cada bloco.

Cada transação é processada por um hash, combinada com o hash de outra transação e processada novamente até que se produza uma única raiz de Merkle.

A raiz de Merkle é armazenada no cabeçalho do bloco.

Uma carteira leve pode usar uma prova de Merkle para verificar se uma transação está incluída em um bloco sem baixar todas as transações desse bloco.

Isso viabiliza a verificação simplificada de pagamentos, geralmente chamada de SPV.

A SPV não oferece o mesmo nível de segurança que executar um full node.

No entanto, oferece aos clientes leves uma forma mais eficiente de verificar a inclusão de transações.

Provas de Merkle no Ethereum

O Ethereum usa estruturas de dados autenticadas baseadas em Merkle para verificar dados de contas e de armazenamento.

A documentação do Ethereum sobre Merkle Patricia Tries explica que o Ethereum usa estruturas trie vinculadas por hashes para permitir a verificação criptográfica dos dados de estado.

As provas do Ethereum podem demonstrar que uma conta, um saldo, um nonce, um hash de código ou um valor de armazenamento pertence a uma raiz de estado específica.

O padrão EIP-1186 eth_getProof define um método RPC para criar provas de Merkle de contas e valores de armazenamento do Ethereum.

Isso é útil quando um aplicativo quer verificar o estado da blockchain sem confiar cegamente em um único provedor de dados.

A estrutura do Ethereum é mais complexa do que uma Árvore de Merkle binária simples, mas a ideia central continua sendo provar os dados em relação a uma raiz confiável.

Provas de Merkle em airdrops

As provas de Merkle são amplamente usadas em airdrops de cripto.

Um projeto pode criar uma lista de endereços de carteira elegíveis e valores em tokens.

Cada entrada se torna uma folha em uma Árvore de Merkle.

O projeto armazena uma única raiz de Merkle no contrato inteligente.

Quando um usuário reivindica tokens, envia os dados da reivindicação e a prova de Merkle.

O contrato verifica se a prova corresponde à raiz armazenada.

Isso evita o armazenamento direto de cada endereço elegível on-chain.

Também torna os airdrops de grande escala mais baratos e escaláveis.

Se cada usuário puder fazer apenas uma reivindicação, o contrato ainda precisará registrar se o usuário já reivindicou.

Provas de Merkle em whitelists de NFT

Projetos de NFT costumam usar provas de Merkle para whitelists, vendas antecipadas e acesso antecipado ao mint.

Em vez de armazenar cada carteira aprovada no contrato, o projeto armazena uma raiz de Merkle.

Cada carteira aprovada recebe uma prova que mostra que ela pertence ao conjunto de dados da whitelist.

Durante o mint, o contrato inteligente verifica a prova antes de permitir que a carteira faça o mint.

Isso pode reduzir os custos de gas e manter a whitelist completa off-chain.

Mesmo assim, os usuários devem verificar a página oficial de mint, o endereço do contrato e as instruções de reivindicação antes de assinar qualquer coisa.

Provas de Merkle em contratos inteligentes

Os contratos inteligentes podem verificar provas de Merkle diretamente on-chain.

Isso é comum em airdrops, whitelists de NFT, reivindicações de recompensas, acesso condicionado a tokens e sistemas de whitelist.

A documentação MerkleProof da OpenZeppelin oferece utilitários em Solidity para verificar se uma folha pertence a uma Árvore de Merkle definida por uma raiz.

Em geral, o contrato armazena a raiz e verifica as provas enviadas pelos usuários durante uma reivindicação ou solicitação de acesso.

Isso é mais barato do que armazenar on-chain uma grande lista de endereços ou registros.

O sistema de provas precisa ser projetado com cuidado, pois a codificação das folhas, as regras de ordenação e as funções hash devem corresponder exatamente.

Provas de Merkle e light clients

Os light clients usam métodos compactos de verificação, em vez de baixar e validar todos os dados da blockchain.

As provas de Merkle ajudam os light clients a verificar transações ou valores de estado específicos em relação a cabeçalhos de bloco ou raízes confiáveis.

Isso pode tornar as carteiras cripto mais práticas em dispositivos móveis, navegadores e sistemas com armazenamento limitado.

Um light client não é igual a um full node.

Um full node verifica mais regras e processa mais dados.

Um light client usa provas para reduzir a dependência de confiança e os requisitos de recursos, mas opera com outro modelo de segurança.

Provas de Merkle e bridges

Bridges cross-chain e sistemas de mensagens podem usar provas de Merkle para verificar se um evento, uma transação ou um valor de estado ocorreu em outra chain.

Por exemplo, uma bridge pode precisar provar que tokens foram bloqueados em uma rede antes de liberar ativos wrapped em outra rede.

Uma prova de Merkle pode ajudar a verificar se um evento específico pertence a um bloco ou a uma raiz de estado.

Isso não torna todas as bridges seguras por si só.

A segurança de uma bridge também depende do modelo de validadores, do código do contrato, das premissas dos oráculos, das regras de finalização e da forma como as raízes são consideradas confiáveis.

Os usuários não devem presumir que a presença de provas de Merkle elimina todos os riscos de uma bridge.

Provas de Merkle e rollups

Rollups e sistemas de escalabilidade costumam usar compromissos criptográficos para resumir grandes quantidades de dados de transações ou de estado.

Provas baseadas em Merkle podem ajudar a verificar inclusão, saídas, saques ou transições de estado, conforme o projeto do rollup.

Um rollup pode registrar lotes de transações ou atualizações de estado por meio de raízes que podem ser verificadas posteriormente.

As provas de Merkle podem fazer parte desse processo de verificação.

Elas costumam ser combinadas com provas de fraude, provas de validade, sistemas de disponibilidade de dados ou outras ferramentas criptográficas.

O papel exato das provas de Merkle depende do projeto de escalabilidade.

Prova de Merkle vs. Árvore de Merkle

Uma Árvore de Merkle é toda a estrutura de dados baseada em hashes.

Uma prova de Merkle é o pequeno conjunto de informações usado para provar que uma folha pertence à árvore.

A árvore contém todas as folhas e os ramos.

A prova contém apenas os hashes irmãos necessários para verificar um caminho específico.

A raiz de Merkle representa a árvore inteira.

A prova de Merkle conecta um item à raiz.

Prova de Merkle vs. raiz de Merkle

Uma raiz de Merkle é um único hash.

Uma prova de Merkle é uma lista de hashes e dados relacionados à verificação.

A raiz é o compromisso.

A prova é a evidência.

Uma raiz, sozinha, não prova que um item específico está incluído.

Uma prova, sozinha, não é confiável sem uma raiz válida.

As duas são necessárias para verificar a inclusão.

Prova de Merkle vs. prova de conhecimento zero

Uma prova de Merkle demonstra que um item específico está incluído em um conjunto de dados comprometido.

Uma prova de conhecimento zero pode demonstrar uma afirmação mais abrangente sem revelar as informações privadas por trás dela.

Em geral, as provas de Merkle são mais simples e baratas de verificar.

As provas de conhecimento zero podem viabilizar casos de uso mais avançados de privacidade e computação.

As duas ferramentas também podem ser usadas em conjunto.

Por exemplo, um circuito de conhecimento zero pode provar em particular que um usuário está incluído em uma Árvore de Merkle, sem revelar qual folha pertence a esse usuário.

Benefícios das provas de Merkle

O primeiro benefício é a eficiência.

Um verificador pode conferir um item sem baixar o conjunto de dados inteiro.

O segundo benefício é o menor custo de armazenamento.

Um contrato inteligente pode armazenar uma raiz em vez de milhares de registros.

O terceiro benefício é a escalabilidade.

É possível comprometer-se com grandes conjuntos de dados usando uma raiz compacta e verificá-los com provas pequenas.

O quarto benefício é a integridade dos dados.

Se os dados ou a prova forem alterados, a raiz calculada não corresponderá à original.

O quinto benefício é a privacidade parcial.

Um usuário pode provar que um item está incluído sem revelar o conjunto de dados inteiro.

Riscos e limitações das provas de Merkle

O primeiro risco é confiar na raiz errada.

Uma prova de Merkle apenas demonstra a inclusão no conjunto de dados representado por uma raiz específica.

Se a raiz for falsa, estiver desatualizada ou for maliciosa, a prova poderá induzir ao erro.

O segundo risco é a codificação incorreta das folhas.

Se endereços de carteira, valores, IDs de tokens ou dados de reivindicação forem codificados incorretamente, a verificação da prova poderá falhar ou se comportar de forma inesperada.

O terceiro risco são erros de ordenação.

Algumas Árvores de Merkle ordenam os pares antes de processá-los por hash, enquanto outras dependem da ordem da esquerda para a direita.

O quarto risco são reivindicações repetidas ou duplicadas.

Os sistemas de reivindicação precisam registrar as provas ou os endereços já usados quando cada usuário deve reivindicar apenas uma vez.

O quinto risco é o phishing.

Golpistas podem criar páginas falsas de reivindicação que imitam sistemas de prova de Merkle, mas pedem aos usuários que assinem transações prejudiciais.

Como verificar uma prova de Merkle

Comece confirmando a raiz de Merkle confiável.

Em seguida, confirme os dados da folha, como endereço da carteira, valor, ID do token ou hash da transação.

Processe a folha com o mesmo método de hash usado para construir a árvore original.

Combine o hash da folha com cada hash irmão da prova.

Processe cada par na ordem correta.

Repita o processo até calcular uma raiz final.

Compare a raiz calculada com a raiz confiável.

Se as raízes corresponderem, a prova será válida.

Se não corresponderem, a prova será inválida.

Equívocos comuns sobre provas de Merkle

Um equívoco comum é pensar que uma prova de Merkle demonstra que um projeto é legítimo.

Ela demonstra apenas que os dados pertencem ao conjunto representado por uma raiz.

Outro equívoco é pensar que uma prova de Merkle revela o conjunto de dados inteiro.

Em geral, ela revela apenas a folha em questão e os hashes irmãos necessários para a verificação.

Um terceiro equívoco é pensar que todas as provas de Merkle usam o mesmo formato.

Diferentes sistemas podem usar funções hash, formatos de árvore, métodos de codificação e regras de ordenação diferentes.

Um quarto equívoco é pensar que as provas de Merkle são usadas apenas para transações.

Elas também podem verificar airdrops, whitelists de NFT, valores de armazenamento, estados de contas, eventos de bridge, dados de rollup e reivindicações de identidade digital.

Perguntas frequentes

O que é uma prova de Merkle?

Uma prova de Merkle é uma prova criptográfica que mostra que um dado específico pertence a um conjunto maior representado por uma raiz de Merkle.

Uma prova de Merkle é igual a uma prova de Árvore de Merkle?

Sim. Prova de Merkle e prova de Árvore de Merkle geralmente se referem ao mesmo conceito.

O que é uma raiz de Merkle?

Uma raiz de Merkle é o hash final no topo de uma Árvore de Merkle e funciona como um compromisso compacto com todo o conjunto de dados.

Como uma prova de Merkle verifica os dados?

Ela usa a folha em questão e os hashes irmãos para reconstruir a raiz e compará-la com a raiz de Merkle confiável.

Por que as provas de Merkle são usadas em airdrops?

Elas permitem que um contrato inteligente verifique a elegibilidade para reivindicação sem armazenar diretamente on-chain todas as carteiras elegíveis e os respectivos valores.

Por que as provas de Merkle são usadas em whitelists de NFT?

Elas permitem que os contratos de NFT verifiquem se uma carteira está aprovada para fazer mint sem armazenar a whitelist completa on-chain.

As provas de Merkle são privadas?

Elas oferecem privacidade parcial porque não é necessário revelar o conjunto de dados inteiro, mas a folha em questão e os dados da prova ainda podem ficar visíveis.

Uma prova de Merkle pode ser falsificada?

Uma prova falsa deve falhar se o verificador usar a raiz, a função hash, a codificação das folhas e a ordem da prova corretas.

As provas de Merkle são iguais a provas de conhecimento zero?

Não. As provas de Merkle comprovam a inclusão de dados em um conjunto comprometido, enquanto as provas de conhecimento zero podem demonstrar afirmações mais abrangentes sem revelar dados privados de entrada.

O que os usuários devem verificar antes de usar uma página de reivindicação com prova de Merkle?

Os usuários devem verificar o site oficial, o endereço do contrato, a raiz de Merkle, a solicitação da carteira, as regras de reivindicação e os detalhes da transação.

Conclusão

Uma prova de Merkle é uma ferramenta essencial de verificação cripto que demonstra que um dado pertence a um conjunto maior.

Ela conecta uma folha a uma raiz de Merkle confiável por meio de um pequeno conjunto de hashes irmãos.

Isso torna a verificação mais rápida, barata e escalável do que conferir diretamente um conjunto de dados inteiro.

As provas de Merkle são usadas para verificar transações do Bitcoin, estados do Ethereum, airdrops, whitelists de NFT, contratos inteligentes, light clients, bridges e sistemas de rollup.

O conceito é poderoso porque combina dados compactos, hashes criptográficos e integridade verificável.

No entanto, a confiabilidade de uma prova de Merkle depende da raiz, da construção da árvore, da função hash, das regras de codificação e do código de verificação usados.

Os usuários também devem ficar atentos a páginas de phishing e sistemas falsos de reivindicação.

Quando implementadas corretamente, as provas de Merkle ajudam a tornar os sistemas cripto mais eficientes, transparentes e menos dependentes de confiança.