如何理解區塊鏈中的默克爾樹？

區塊鏈中的Merkle樹通過允許使用Merkle路徑快速驗證交易，增強安全性和可擴展性來確保數據完整性和效率。

2025/04/17 02:42

了解區塊鏈中的默克爾樹對於掌握分散系統中如何維持數據完整性和效率至關重要。默克爾樹以拉爾夫·默克爾（Ralph Merkle）在1979年獲得專利的命名，是區塊鏈技術的基本組成部分，尤其是在Bitcoin和其他加密貨幣中。它充當有效且安全驗證大數據集內容的數據結構。

什麼是默克爾樹？

默克爾樹（也稱為二進制哈希樹）是一棵樹，每個葉子節點都是數據塊的哈希，每個非葉子節點都是孩子的哈希。這種結構允許對大數據集的內容有效且安全驗證。在區塊鏈的上下文中，每個區塊都包含一個默克爾樹，該樹總結了該塊中包含的所有交易。

默克爾樹的根（稱為默克爾根）存儲在塊標頭中。該根是一個表示塊中所有交易的單個哈希。通過使用此結構，可以驗證是否包含特定的交易，而無需下載整個塊。

默克爾樹如何工作？

要了解默克爾樹的工作原理，讓我們逐步分解過程：

• 從交易開始：從一組需要包含在塊中的交易開始。每個交易單獨使用。
• 配對和哈希：然後將這些交易的哈希散佈在一起，並將其搭配在一起，形成一組新的哈希。
• 重複該過程：這個配對和哈希過程一直持續到僅保留一個哈希為止，這是默克爾根。
• 默克爾路徑：為了驗證特定的交易，使用了默克爾路徑（也稱為默克爾證明）。該路徑由相關交易中重建默克爾根的哈希組成。

例如，如果要驗證事務A，則需要在樹的每個級別上的兄弟姐妹節點的哈希來重建默克爾根。如果重建的根與存儲在塊標頭中的根相匹配，則可以確保交易A確實是塊的一部分。

在區塊鏈中使用默克爾樹的好處

在區塊鏈技術中使用Merkle樹提供了一些重要的好處：

• 效率：Merkle樹可以快速有效地驗證大型數據集。節點可以僅使用一小部分數據來驗證交易，而不是下載整個塊。
• 安全性：默克爾樹的結構確保對事務的任何更改都會導致不同的默克爾根。這使得在未檢測到的情況下篡改交易非常困難。
• 可伸縮性：隨著塊中的交易數量的增長，默克爾樹結構保持有效。它可以隨著數據大小的增加而張開，使其適用於大規模區塊鍊網絡。

Bitcoin中默克爾樹的實例

在Bitcoin中，每個塊包含一個默克爾樹，該樹總結了該塊中包含的所有交易。這是它在實踐中的工作方式：

• 交易哈希：使用SHA-256算法將塊中的每個交易均進行哈希。
• 建造樹：然後將這些哈希配對並搭配在一起以形成樹的下一個層次。這個過程一直持續到形成默克爾根為止。
• 驗證：為了驗證事務，節點請求該事務的默克爾路徑。使用此路徑，節點可以重建默克爾根，並將其與存儲在塊標頭中的一個路徑進行比較。

例如，如果用戶想在Bitcoin塊中驗證事務，則他們將從完整節點請求默克爾路徑。完整的節點將提供必要的哈希，然後用戶可以驗證交易中的包含在塊中。

實施默克爾樹

要實現默克爾樹，您可以按照以下步驟操作：

• 哈希數據：首先使用諸如SHA-256的加密哈希函數哈希亞數據（例如，交易）。
• 配對和哈希：對哈希進行配對並將它們放在一起。如果有奇數的哈希，則復制最後一個哈希進行。
• 繼續配對：繼續配對和哈希，直到到達樹的頂部，從而導致默克爾根。
• 存儲樹：存儲默克爾樹的結構，包括所有中間哈希，以便以後進行有效的驗證。

這是一個簡單的示例，說明如何在Python中創建默克爾樹：

 import hashlib def hash_data（數據）：




return hashlib.sha256(data.encode('utf-8')).hexdigest()
 def create_merkle_tree（交易）：
 
if len(transactions) == 0: return '0' * 64 # Return a hash of zeros for an empty tree while len(transactions) > 1: new_level = [] for i in range(0, len(transactions), 2): if i + 1 < len(transactions): combined_hash = hash_data(transactions[i] + transactions[i + 1]) else: combined_hash = hash_data(transactions[i] + transactions[i]) new_level.append(combined_hash) transactions = new_level return transactions[0] # The Merkle Root
示例用法
交易= ['tx1'，'tx2'，'tx3'，'tx4']
 merkle_root = create_merkle_tree（交易）
打印（f'merkle root：{merkle_root}'）

用默克爾路徑驗證交易

要使用Merkle路徑驗證交易，請按照以下步驟：

• 請求默克爾路徑：向您要驗證的交易的默克爾路徑詢問一個完整的節點。
• 重建默克爾根：使用默克爾路徑從交易哈希重建默克爾根。
• 與塊標頭進行比較：將重建的默克爾根與存儲在塊頭中的一個比較。如果它們匹配，則驗證交易。

這是一個簡單的示例，說明如何使用Python中的Merkle路徑驗證交易：

 def verify_transaction(transaction_hash, merkle_path, merkle_root): current_hash = transaction_hash for hash in merkle_path: if current_hash < hash: current_hash = hash_data(current_hash + hash) else: current_hash = hash_data(hash + current_hash) return current_hash == merkle_root

示例用法

transaction_hash ='tx1_hash'
merkle_path = ['hash1'，'hash2'，'hash3']
merkle_root ='root_hash'
is_verified = verify_transaction（transaction_hash，merkle_path，merkle_root）
打印（f'transaction驗證：{is_verified}'）

常見問題

問：默克爾樹可以在區塊鏈以外的其他應用中使用嗎？

答：是的，默克爾樹是通用的，可用於區塊鏈以外的各種應用中。它們用於點對點網絡，用於文件共享，數據同步協議和分佈式系統以進行有效的數據驗證。

問：默克爾樹如何促進區塊鏈的安全性？

答：Merkle樹通過確保對交易的任何更改都會導致不同的Merkle根來增強區塊鏈安全性。這使得在未檢測到的情況下篡改交易非常困難，因為所改變的默克爾根與存儲在塊標頭中的根無法匹配。

問：如果一個塊包含奇數交易，會發生什麼？

答：如果一個塊包含奇數交易，則重複默克爾樹的每個級別的最後一個哈希，以確保配對過程可以繼續。此重複不影響默克爾樹的完整性或安全性。

問：默克爾樹的大小如何影響其效率？

答：默克爾樹的大小不會顯著影響其效率。樹結構的對數性質意味著驗證交易所需的哈希數隨交易的數量緩慢增長，即使對於大型數據集，也使其高效。