Der technische Direktor der Cardano Foundation, Matthias Benkort (auch bekannt als @KtorZ), hat die gesamte Bitcoin-Blockchain erfolgreich in einem einzigen Block der Cardano-Blockchain zusammengefasst. Diese Ankündigung, die über X (früher Twitter) erfolgte, hat in der Blockchain-Community für Aufsehen gesorgt und das Potenzial für erweitertes Datenmanagement und Interoperabilität zwischen Blockchains hervorgehoben.
Ein Durchbruch für Cardano und die Blockchain-Technologie
Benkorts Offenbarung kam mit der Veröffentlichung einer neuen Open-Source-Bibliothek auf GitHub mit dem Titel „Merkle Patricia Forestry“. Die Bibliothek stellt eine Reihe von On-Chain- und Off-Chain-Tools vor, die für die Arbeit mit Merkle Patricia Tries auf Cardano entwickelt wurden. Wie in der Veröffentlichungsdokumentation beschrieben, ist ein Merkle Patricia Trie „eine persistente und authentifizierte Datenstruktur zum Zuordnen zwischen beliebigen Schlüsseln und Werten“. Im Wesentlichen fungiert es als hocheffiziente und sichere Hashmap.
Die Dokumentation erläutert die Struktur und stellt fest: „Elemente werden in einem platzoptimierten Trie (auch Präfixbaum genannt) mit Basis 16 dargestellt. Der Hash-Digest ihrer Schlüssel liefert den Pfad zu den Werten im Trie.“ Dieser Ansatz bietet zahlreiche Anwendungsfälle, wie etwa die Pflege großer On-Chain-Register (z. B. Domänen) oder die Bereitstellung umfangreicher orakelter Datensätze mit intrinsischen Daten (z. B. eine Karte von Delegierern/Delegierten) oder extrinsischen Daten (z. B. GitHub-Daten im Zusammenhang mit einem Ökosystem von Projekten). Er eignet sich besonders gut für lang andauernde Datensätze, die langsam wachsen, wie etwa eine Proof-of-Work (PoW)-Blockchain.
Zu den Hauptmerkmalen der Merkle Patricia Forestry-Bibliothek gehören die schnelle Mitgliedschaft, Einfügung und Löschung beliebiger Schlüssel/Wert-Elemente in einem großen Speicher, erleichtert durch einen Root-Hash-Digest (32 Bytes) und einen prägnanten Beweis (
Benkort erläuterte die Leistungseinbußen und merkte an, dass bei der Optimierung Speicher und CPU-Ausführungseinheiten geopfert werden, um kleinere Beweisgrößen zu erreichen. Trotzdem bietet die Bibliothek ein gutes Gleichgewicht zwischen Beweisgröße, Speichernutzung und CPU-Effizienz, wie in den in der Dokumentation enthaltenen Leistungstabellen beschrieben wird. Diese Tabellen fassen die Beweisgröße, Speichereinheiten und CPU-Einheiten zusammen, die für verschiedene Trie-Größen erforderlich sind, und verdeutlichen die Effizienz der Bibliothek in verschiedenen Szenarien.
Detaillierte Erklärung und Demonstration
In einer Reihe detaillierter Beiträge zu X gab Benkort von der Cardano Foundation weitere Einblicke in die Implementierung und die Funktionen der Bibliothek. Er erklärte, dass die Bibliothek aus zwei Teilen besteht: einem in Aiken implementierten Teil für bestimmte Dienstprogramme für Smart Contracts und einem anderen in Node.js für Off-Chain-Operationen. Diese umfassende Implementierung modifizierter Merkle Patricia Tries mit einer einzigartigen Wendung nennt Benkort „Merkle Patricia Forestry“.
„Grundsätzlich handelt es sich um eine authentifizierte Datenstruktur, um beliebige Schlüssel beliebigen Werten zuzuordnen“, erklärte Benkort. „Allerdings ist dies so angelegt, dass es möglich ist, einige Operationen mit nur einem kleinen Hash und einem prägnanten Beweis durchzuführen, ohne die gesamte Datenstruktur mitführen zu müssen.“
Für diejenigen, die mit der Blockchain-Technologie vertraut sind: Merkle Trees sind eine ähnliche, wenn auch einfachere Struktur, die in erster Linie zur Darstellung von Elementlisten und zur Überprüfung ihrer Mitgliedschaft mithilfe eines Root-Hashs verwendet wird. Merkle Patricia Tries (MPTs) erweitern diese Funktionalität jedoch und ermöglichen nicht nur die Überprüfung der Mitgliedschaft, sondern auch das Einfügen und Löschen von Schlüssel-/Wertpaaren. Ethereum verwendet MPTs für den Status und die Transaktionsspeicherung der Blockchain, sodass Light-Clients Guthaben abfragen können, ohne die gesamte Blockchain speichern zu müssen.
Ein erhebliches Problem bei herkömmlichen MPTs ist die große Größe der Beweise, die bei umfangreichen Datenspeichern mehrere Kilobyte umfassen kann. Dies ist bei Off-Chain-Operationen nicht so problematisch, aber On-Chain ist jedes Byte wertvoll. Benkorts Implementierung behebt dieses Problem, indem sie winzige Sparse Merkle Trees mit 16 Elementen auf jeder Ebene verwendet und so effektiv Bäume innerhalb von Versuchen erstellt. Diese Struktur reduziert die Größe der Beweise drastisch und tauscht einige Rechenschritte gegen die Effizienzgewinne von Cardano ein.
Benkort demonstrierte diese Fähigkeit durch eine kürzlich durchgeführte Transaktion, bei der ein UTxO ausgegeben wurde, das den Root-Hash eines Merkle Patricia Forestry enthielt, der die gesamten Header-Hashes des Bitcoin-Blocks darstellte, komprimiert auf nur 32 Bytes. Die Transaktion bewies die Fähigkeit, die Kette fortzusetzen, indem ein neuer Block in den Trie eingefügt wurde, wodurch eine authentifizierte Kette von über 850.000 Blöcken mit minimalem Datenaufwand aufrechterhalten wurde.
„Die Transaktion, die ich gerade verlinkt habe, macht etwas ziemlich Unerwartetes“, erklärte Benkort. „Sie gibt einen UTxO aus, der den Root-Hash eines Merkle Patricia Forestry enthält, der die gesamten Bitcoin-Blockheader-Hashes darstellt, die ihren Transaktionen zugeordnet sind. Das sind etwa 850.000 Blöcke, komprimiert in 32 Bytes.“
Um dieses UTxO auszugeben, muss ein Beweis in der Kette erbracht werden, der die Fortsetzung der Kette durch Einfügen eines neuen Blocks in den Trie zeigt. Der aktualisierte, in der Kette gespeicherte Root-Hash muss die vorherige Kette plus einen Block darstellen. Der gesamte Validator für diesen Vorgang passt in nur 26 Zeilen von Cardanos Aiken.
Zukünftige Auswirkungen und Anwendungsfälle
Benkort hob die möglichen Anwendungen dieser Technologie hervor, die von vertrauenslosen Brücken bis hin zu beliebig großen Schlüssel-/Wertspeichern reichen, die vollständig on-chain verwaltet werden. „Stellen Sie sich die Möglichkeiten mit so großen Datensätzen vor“, schlug er vor. „Ein Domänenregister? Ein Feed mit Finanzmarktdaten? GitHub-Statistiken? Ich sehe eine Welt, in der Institutionen oder Ausschüsse große Datensätze in Form eines einfachen Root-Hashes on-chain veröffentlichen und so effektiv als Orakel für eine Vielzahl von Smart Contracts dienen.“
Benkort schloss mit einer Reflexion über die Entwicklung dieses Projekts, das Ende letzten Jahres als Nebenprojekt begann. „Es fühlt sich gut an, es endlich zu veröffentlichen“, sagte er. „Ursprünglich hatte ich Ende letzten Jahres damit begonnen, ein bisschen als Nebenprojekt. Angesichts der vielen Gespräche darüber in letzter Zeit dachte ich, ich könnte diesen Code wiederbeleben und richtig verpacken. Open Sourcing ist der Sieg.“
Zum Redaktionsschluss wurde Cardano (ADA) bei 0,455 $ gehandelt.
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