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【区块链】Merkle Tree及SPV简易支付验证详解

little_stupid_child 2024-06-25 原文

Merkle Tree默克尔树

在比特币中Merkle Tree实际上是一个hash树,是个二叉树。它的叶子节点为交易的hash值,然后对相邻的hash值进行拼接,并对拼接后的值再次进行hash运算,然后对相邻结果再次进行hash运算,重复对结果运算并产生新的节点,直至产生最后一个节点,成为跟节点Merkle Root。
1.hash运算采用double hash,即对数据进行两次hash运算。
2.在计算hash值是要保证节点数量为偶数,为奇数的情况,复制最后一个节点并参与运算

HA = SHA256(SHA256(Transaction A)),HAB = SHA256(SHA256(HA + HB)),HABCD = SHA256(SHA256(HAB + HCD))

Merkle 验证路径

获取方法

1.首先对区块中所有的交易进行排序,然后对所有交易进行hash运算并生成merkle tree。
2.查询一笔交易的hash,查询到交易hash后,获取该节点到跟节点的路径,得到merkle路径。
3.获取验证路径,即除merkle root外,在merkle路径上所有的兄弟节点

使用方法

mekle路径是指从一笔交易到merkle root途经的所有节点,验证路径是指除merkle root外,在merkle路径上所有的兄弟节点。当获取到验证路径时,使用交易的hash可以计算出merkle root。如下图所示,HK交易的验证路径为HL、HIL、HMNOP、HABCDEFGH;拥有HK即交易K的hash时,即可计算得到Merkle Root。

Merkle 证明

merkle证明是根据验证路径,验证一笔交易是否存在的过程。具体的验证过程与上述验证路径中说到的过程一致,如果可以根据交易的hash和验证路径计算出的merkle root与获取到的merkle root一致,则说明该笔交易确实存在于区块中。

SPV简易支付验证

SPV(Simplified Payment Verification),在区块链中对于轻节点来说,只需要保存区块链的header信息,可以解决在一些设备上无法存储大量区块链数据问题。区块header保存的信息有,version版本号,pre_hash上一个节点的hash值,timestamp时间戳(区块打包的时间戳),merkle_root根hash,nonce随机数,nBits该区块的复杂度。
简易支付验证的步骤:
1.获取到交易hash后,可以在区块链中获取包含这笔交易的区块及header
2.验证merkle root是否存在于区块链中
3.按照验证路径进行hash运算,比较得到的root与merkle root是否一致。

小结

merkle tree被广泛运用于区块链中,但并不是只有区块链使用它来进行校验。比如一些p2p下载,如迅雷,就需要把文件分割为小块文件,每块都有一个hash,每块从不同的网络节点下载,最后组成一个完整的文件,但是也需要进行hash验证,它也可以使用merkle tree来进行验证。merkle tree也不一定是二叉树,可以是任意树结构。而在以太坊中,merkle验证还不够用,增加了Patricia Tree验证,合起来称为“Merkle Patricia Tree”。

疑问

1.在生成验证路径的时候,需要查找到该笔交易对应的hash,不就已经确定该笔交易是存在的吗?
2.在根据用户提供的交易hash查询区块时,不就确定了该笔交易已经存在于区块链之中了吗?为什么还要进行merkle证明。

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