区块链的数据结构(二)——默克尔树(Merkle Tree)

        区块链中的另外一个数据结构是Merkle tree,在比特币中使用的就是这种结构:

        可能没有听说过Merkle tree,但一定听说过binary tree(二叉树)。

        Merkle tree和binary tree的区别:Merkle tree用哈希指针代替了普通的指针

        每个框内的两个哈希值,在一起取哈希,就是上框内的哈希值,如下图箭头表示:

        这种数据结构的好处在于,只要记住根哈希值,就能检测出该树下的任何数据是否篡改。

        圆圈内黄色的tx被修改,那么必然导致上方绿色的H()被修改,从而导致了上方绿色的H()被修改,从而导致了上方绿色的H()被修改,最终导致了root hash这个值的修改。

Merkle tree的作用

        Proof of Inclusion

        Merkle proof可以证明merkle tree里面包含了某个交易,所以这种证明又叫proof of membership或 proof of inclusion。

        比特币网络参与者包括全节点轻节点,全节点保存了区块的所有信息,包括block header和block body,而轻节点只保存了block header。

        假设某个轻节点想要知道某笔交易是否写入了某区块中,应当怎么做?(类似A向B买东西,使用比特币支付,A告诉B这笔交易已完成,钱已付,在某区块中,B是轻节点,B如何验证这比交易在区块链中?)

        使用Merkle proof就可以解决这个问题,具体操作步骤如下:假设下图中的黄色交易是这笔交易。

  • 全节点收到了B请求验证这笔交易的信息,全节点可以看到这笔在merkle tree中的位置,他给B提供三个数据,即上图中红色的H()。
  • B在本地通过运算得到上图中绿色的H(),再和获得的红色H()一起,再在本地算出上方的绿色H(),再和获得的红色H()一起,再在本地算出上方的绿色H(),最终算到root hash值。
  • B将算出来的root hash值与本地的root hash值进行对比,相等则表示这笔交易存在该区块中。

        为什么全节点不直接告诉B结果呢?因为不能保证这个全节点是友善的。

        那是否有可能全节点为帮助A伪造交易,向B提供的哈希值(即上图中红色的H())是经过调整的,使B最终算出来的root hash值与本地的root hash值一致呢?

        答案是几乎不可能!因为哈希的collision resistance和不可逆两个特性,制造不出这样的哈希碰撞。

        对于一个轻节点来说,验证一个merkle proof 复杂度是多少?假设最底层有n个交易,则merkle proof 复杂程度是θ(log(n))。

        Proof of Non-Inclusion

        上述我们为了证明某个交易在区块中,本质是proof of membership或者是proof of inclusion。上述方法的复杂度为对数级别。

        那我们是否可证明某个交易不在区块中呢?即proof of non-membership问题。

        方式1:遍历一遍树。这么做的复杂度是n

        方式2:对所有叶节点(即交易)取哈希,将哈希值有小到大排列,将待查找的交易的哈希值,利用二分法进行查找。这么做的复杂度降为log n

        这种排好序的merkle tree称为 sorted merkle tree。比特币中没有用到这个sorted Merkle tree,因为不需要不存在证明。

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THE END
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