Merkle树

2023-10-26

白皮书引入

Merkel树是一种数据结构

  图1-1:比特币白皮书插图 

生成一个Merkel树

 图1-2:来自维基百科插图

 分析:自下而上

  1. 我们有四个文件(比特币系统的话就是交易,这个数据结构可以用在各种方面):L1、L2、L3、L4
  2. 四个文件通过hash算法(两个哈希值并起来)得到各自的块:0-0、0-1、1-0、1-1
  3. 块之间两两进行hash算法得到新的块:0-0于0-1生成0、1-0于1-1生成1
  4. 重复步骤3,得到最终的根节点

注意:hash函数将任意长度的任意类型的数据映射到固定大小的输出 。默克尔树汇总一个区块中的所有交易,并生成整个块的哈希验证值,允许用户验证交易是否包含在该区块中 

hash算法

Hash是一个把任意长度的数据映射成固定长度数据的函数。

例如,对于数据完整性校验,最简单的方法是对整个数据做Hash运算得到固定长度的Hash值,然后把得到的Hash值公布在网上,这样用户下载到数据之后,对数据再次进行Hash运算,比较运算结果和网上公布的Hash值进行比较,如果两个Hash值相等,说明下载的数据没有损坏。可以这样做是因为输入数据的稍微改变就会引起Hash运算结果的面目全非,而且根据Hash值反推原始输入数据的特征是困难的。

hash list

适用于点对点网络数据传输:
在点对点网络中作数据传输的时候,会同时从多个机器上下载数据,而且很多机器可以认为是不稳定或者不可信的。为了校验数据的完整性,更好的办法是把大的文件分割成小的数据块。这样的好处是,如果小块数据在传输过程中损坏了,那么只要重新下载这一快数据就行了,不用重新下载整个文件。如何确定哪个小的数据块是错误的?查看“Merkel树的检索”

Merkel tree和hash list的区别

Merkel tree可以直接下载并立即验证Merkle Tree的一个分支。因为可以将文件切分成小的数据块,这样如果有一块数据损坏,仅仅重新下载这个数据块就行了。如果文件非常大,那么Merkle tree和Hash list差不多,但是Merkle tree可以一次下载一个分支,然后立即验证这个分支,如果分支验证通过,就可以下载数据了。而Hash list只有下载整个hash list才能验证。

Merkel树的检索

为了更好理解,我们假设有A和B两台机器,A需要与B相同目录下有8个文件。这个时候我们就可以通过Merkle Tree来进行快速比较。假设我们在文件创建的时候每个机器都构建了一个Merkle Tree。具体如下图

 图1-3:网图引用

从上图可得知,叶子节点node7的value = hash(f1),是f1文件的HASH;而其父亲节点node3的value = hash(v7, v8),也就是其子节点node7 node8的值得HASH。就是这样表示一个层级运算关系。root节点的value其实是所有叶子节点的value的唯一特征。

  假如A上的文件5与B上的不一样。我们怎么通过两个机器的merkle treee信息找到不相同的文件? 这个比较检索过程如下:

  Step1. 首先比较v0是否相同,如果不同,检索其孩子node1和node2.

  Step2. v1 相同,v2不同。检索node2的孩子node5 node6;

  Step3. v5不同,v6相同,检索比较node5的孩子node 11 和node 12

  Step4. v11不同,v12相同。node 11为叶子节点,获取其目录信息。

  Step5. 检索比较完毕。

 Merkel树的不可篡改性

在p2p网络下载网络之前,先从可信的源获得文件的Merkle Tree树根。一旦获得了树根,就可以从其他从不可信的源获取Merkle tree。通过可信的树根来检查接受到的Merkle Tree。如果Merkle Tree是损坏的或者虚假的,就从其他源获得另一个Merkle Tree,直到获得一个与可信树根匹配的Merkle Tree。

修改了树中任意数据,都会导致根节点的值发生改变

 Merkel树的高效性

检索理论复杂度是Log(N)

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