默克爾樹的圖形解釋！默克爾樹有什麼用途？

Merkle樹在Bitcoin和以太坊等區塊鏈技術中至關重要，通過將大型數據集匯總到單個根哈希中來有效地驗證數據完整性。

2025/05/31 02:29

默克爾樹的簡介

默克爾樹（也稱為哈希樹）是加密貨幣世界中的基本數據結構，尤其是在區塊鏈技術中。它用於有效，安全地驗證大數據集的完整性。該概念首先是由拉爾夫·默克爾（Ralph Merkle）於1979年引入的，此後已成為許多加密系統的基石，包括Bitcoin和其他區塊鍊網絡。默克爾樹的主要功能是以高效和安全的方式總結和驗證大量數據的內容。

默克樹的結構

默克爾樹的結構是分層的，類似於二進制樹。在樹的底部被稱為葉子節點，是單個數據片段，通常在區塊鏈的背景下進行交易的散佈值。這些葉子節點是配對的，並將其搭配在一起，形成了樹的下一個水平，稱為父節點。這個過程一直持續到到達樹的頂部為止，最終以稱為root Hash或Merkle root的單個哈希值。

這是一個逐步說明默克爾樹的構建方式：

• 從葉子節點開始：每個葉節點都包含數據塊的哈希，例如區塊鏈中的交易。
• 配對和哈希葉節點：相鄰的葉節點成對，它們的哈希被串聯並再次懸浮以形成父節點。
• 繼續配對和哈希：對結果的父節點重複此過程，直到只有一個節點保留在默克爾根的頂部。

默克爾樹的工作原理

Merkle樹通過允許對特定數據是否是較大集合的一部分進行有效且安全的驗證來起作用。在區塊鏈的背景下，這意味著能夠驗證特定的交易是否包含在塊中，而無需下載整個塊。這是通過使用默克爾證明來實現的，這是從葉子節點到樹根的路徑。

例如，要在塊中驗證交易，將：

• 獲取交易的哈希：這是相關的葉子節點。
• 收集默克爾證明：這包括從葉節點到根的路徑沿路徑的兄弟節點。
• 重建通往根的路徑：通過將交易的哈希與兄弟姐妹放大，然後使用下一個兄弟姐妹的哈希（Hash）哈希結果，依此類推，直到達到根為止。
• 將最終哈希與默克爾根部進行比較：如果它們匹配，則交易將被驗證為塊的一部分。

在加密貨幣中使用默克爾樹

Merkle樹廣泛用於加密貨幣，用於幾個關鍵功能：

• 區塊鏈完整性：在Bitcoin和其他區塊鏈中，每個區塊都包含一個默克爾根，這是該塊中包含的所有交易的哈希。這允許網絡上的節點通過檢查與塊標頭的默克爾根來有效驗證區塊鏈的完整性。

• 輕量級客戶端：簡化的付款驗證（SPV）客戶，也稱為輕度客戶端，使用Merkle證明來驗證交易而無需下載整個區塊鏈。這使得存儲和帶寬有限的設備可以參與網絡。

• 數據修剪：Merkle樹可以使舊事務數據進行修剪，因為只有默克爾根才能驗證塊的完整性。這有助於管理區塊鏈的大小。

• 有效的數據同步：在分佈式系統中，默克爾樹可用於有效地同步節點之間的數據。通過比較默克爾根，節點可以快速識別並僅請求已更改的數據部分。

Bitcoin中的默克爾樹

在Bitcoin網絡中，默克爾樹在每個塊的結構中都起著至關重要的作用。 Bitcoin中的每個區塊都包含交易列表，並且這些交易的默克爾根包括在塊標頭中。這允許快速有效地驗證交易。

這是Bitcoin塊中使用默克爾樹的方式：

• 交易哈希：塊中的每個事務都在默克爾樹中創建葉子節點。
• 建造默克爾樹：然後將這些哈希配對並搭配在一起，以建造默克爾樹，最終以默克爾根部為頂點。
• 塊標頭包含：默克爾根包括在塊標頭中，然後將其懸浮以創建塊哈希。
• 驗證：網絡上的節點可以使用Merkle root來驗證在塊中包含交易的情況，而無需下載整個塊。

以太坊的默克爾樹

以太坊還利用默克爾樹，但由於使用狀態樹，交易樹和收據樹而以更複雜的方式。以太坊中的每個塊都包含三個默克根：

• 狀態根：代表所有帳戶的狀態及其在塊末尾的餘額。
• 事務根：表示塊中包含的所有交易。
• 接收根：表示塊中所有交易的結果。

這些默克樹允許以太坊節點有效驗證網絡狀態和智能合約的執行。以太坊結構中默克爾樹的使用使網絡能夠保持高水平的完整性和效率。

其他加密貨幣中的默克爾樹

除了Bitcoin和以太坊之外，其他各種加密貨幣和區塊鏈系統都使用了默克樹。例如：

• Litecoin使用與Bitcoin相似的結構，並進行了默克爾樹進行交易驗證。
• Zcash在其零知識證明系統中採用Merkle樹，以確保在保持交易完整性的同時確保隱私。
• Stellar使用Merkle樹來驗證其分佈式分類帳的狀態。

這些實施中的每一個都利用默克爾樹的效率和安全性來增強其各自網絡的功能和完整性。

常見問題

問：是否可以使用Merkle樹來驗證非塊鏈應用中的數據完整性？

答：是的，可以在需要有效驗證數據完整性的任何應用中使用默克爾樹。例如，它們用於點對點文件共享系統中，以驗證下載文件的完整性。

問：默克爾樹的大小如何影響其性能？

答：默克爾樹的大小會影響其性能。較大的樹木需要更多的計算資源來構建和驗證，但它們還允許對數據進行更多的詳細驗證。必鬚根據特定用例仔細管理大小和性能之間的權衡。

問：默克爾樹中有任何已知漏洞嗎？

答：雖然默克爾樹被認為是安全的，但它們不能免疫脆弱性。例如，如果使用的哈希函數較弱，則可能容易碰撞攻擊。但是，使用諸如SHA-256之類的密碼安全的哈希功能可以減輕這些風險。

問：默克爾樹如何處理奇數的葉子節點？

答：當有奇數的葉子節點時，最後一個節點通常會重複以形成一對。這樣可以確保樹保持平衡，並且可以有效地構造和驗證。