區塊鏈鼻祖比特幣之10：merkle tree與spv節點

區塊鏈的每一個區塊都包含了該區塊產生期間的所有交易，並用Merkle樹的形式表示。Merkle 樹是一種Hash二叉樹，用作快速歸納和校驗大規模資料完整性的資料結構。

在比特幣網路中，Merkle樹被用來歸納一個區塊的所有交易，同時生成整個交易集合的數字指紋，且提供了一種校驗區塊是否存在某交易的高效途徑。生成一棵完整的 Merkle樹需要遞迴地對雜湊節點對進行雜湊，並將新生成的雜湊節點插入到Merkle樹中，直到只剩一個雜湊節點，該節點就是Merkle樹的根。在比特幣的Merkle樹中兩次使用到了SHA256演算法，因此其加密雜湊演算法也被稱為Double-SHA256。

當N個資料元素經過加密後插入Merkle樹，至多計算2*log2(N)次就能檢查出任意某資料元素是否在該樹中，這使得該資料結構非常高效；但同時無法從Merkle樹內找到對應的交易，這是區塊鏈單向驗證性的特點。Merkle樹是自底向上構建的，舉例說明：同一時間發生A、B、C、D四筆交易，起始所有交易都存於基礎節點，分別進行Hash，以交易A的Hash過程為例，得到HA= SHA256(SHA256(交易A))，同樣得到HB、HC、HD；然後建立二層節點HAB=SHA256(SHA256(HA + HB))，同樣得到HCD；繼續操作直到生成頂端唯一的節點——HABCD。如下圖所示：

因為Merkle樹是二叉樹，所以每一層需要偶數個點，如果節點數為奇數，系統將複製一份數值使得節點數變成偶數。這種偶數個分層節點的樹也被稱為平衡二叉樹。如下圖所示，C點就被複制了一份。

為四個交易構造Merkle樹的方法同樣適用於為任意交易數量構造Merkle樹。在比特幣中，在單個區塊中有成百上千的交易是非常普遍的，這些交易都會採用同樣的方法歸納起來，產生一個僅僅32位元組的資料作為Merkle根。下圖出現了多個節點，其運算過程與四個節點是一致的，其實無論多少個節點都可以通過Merkle樹歸納為32個位元組。

為了證明區塊鏈記憶體在某一個特定的交易，一個節點只需要計算log2(N)個32位元組的雜湊值，形成一條從特定交易到樹根的認證路徑或者Merkle路徑即可。隨著交易數量的急劇增加，這樣的計算量就顯得異常重要，因為相對於交易數量的增長，以基底為2的交易數量的對數的增長會緩慢許多。這使得比特幣節點能夠高效地產生一條10或者12個雜湊值（320-384位元組）的路徑，來證明了在一個巨量位元組大小的區塊中某筆交易的存在。

在圖5中，一個節點能夠通過生成一條僅有4個32位元組雜湊值長度（總128位元組）的Merkle路徑，來證明區塊中存在一筆交易K。該路徑有4個雜湊值（在圖5中由藍色標註）HL、HIJ、HMNOP和HABCDEFGH。由這4個雜湊值產生的認證路徑，再通過計算另外四對雜湊值HKL、HIJKL、HIJKLMNOP和Merkle樹根（在圖中由虛線標註），任何節點都能證明HK（在圖中由綠色標註）包含在Merkle根中。

用列表表示交易數量對路徑大小的影響，如表1所示，當區塊大小由16筆交易（4KB）急劇增加至65535筆交易（16MB）時，為證明交易存在的Merkle路徑長度增長極其緩慢，僅僅從128位元組到512位元組。有了Merkle樹，一個節點能夠僅下載區塊頭（80位元組/區塊），然後從一個節點回溯就能認證一筆交易的存在，而不需要儲存或者傳輸區塊鏈中大多數內容。這被稱作簡單支付驗證（SPV）節點，它不需要下載整個區塊，而通過Merkle路徑去驗證交易的存在。

網址：http://www.qukuailianxueyuan.io/

欲領取造幣技術與全套虛擬機器資料

區塊鏈技術交流QQ群：756146052備註：CSDN

尹成學院微信：備註：CSDN