區塊鏈中的默克爾樹如何使用？

在區塊鏈的背景下了解默克爾樹

默克爾樹（也稱為哈希樹）是區塊鏈技術中用於確保數據完整性和效率驗證交易的基本加密結構。在默克爾樹中，每個葉子節點都是交易數據的哈希，每個非葉子節點都是其子節點的哈希。這種層次結構允許快速且安全地驗證大量數據。樹的根（稱為默克爾根）提供了一個單個哈希，代表塊中的所有交易。單個交易的任何變化都會改變默克爾根部，使篡改易於檢測。

Bitcoin和以太坊（Ethereum）等區塊鍊網絡使用Merkle樹來總結一個塊中的所有交易。該設計減少了驗證交易所需的計算負擔。節點可以驗證塊標頭中包含的默克爾根。 Merkle根的緊湊性質使輕量級客戶端（例如SPV（簡化的付款驗證）節點）可以在不下載整個區塊鏈的情況下確認交易包含。

默克爾樹的結構和建造

默克爾樹的建造遵循一個精確的哈希過程：

• 塊中的每個事務都使用加密哈希函數（通常是Bitcoin中的SHA-256） 。
• 這些單獨的交易哈希構成了樹的葉子節點。
• 對葉節點的對成對是連接的，並將其放在一起形成父節點。
• 這個配對和哈希過程一直遞歸，直到僅保留一個哈希為止 -默克爾根。
• 如果在任何級別上都有奇數的節點，則最後一個節點被複製以形成一對。

例如，有四個交易（T1，T2，T3，T4）：

• 將哈希（T1）和哈希（T2）組合在一起，並散列以創建H12。
• 哈希（T3）和哈希（T4）合併並散列以創建H34。
• 然後將H12和H34組合在一起，並哈希產生默克爾根。

該結構可確保最終根在密碼上取決於塊中的每個事務。即使是交易中的微小改變也會傳播樹並改變默克爾根，使其立即顯現出來。

默克爾樹在塊驗證中的作用

在塊驗證期間，節點使用存儲在塊標頭中的默克爾根來驗證交易的完整性。塊標頭小（Bitcoin中的80個字節），使其有效傳輸和存儲。當一個節點接收一個新塊時，它會重新估計從隨附的交易中重新計算默克爾根，並將其與標頭中的默克爾根進行比較。如果它們匹配，則交易將被確認為不變。

這種機制對於分散的共識至關重要。完整的節點可以獨立驗證塊，而輕量級節點則使用默克爾證明來檢查塊中是否包含特定的事務。默克爾的證明由哈希（默克路徑）的子集組成，該哈希（默克路徑）允許節點僅使用所討論的交易和提供的哈希來重新計算默克爾根。這可以實現無信任的驗證，而無需訪問完整的塊數據。

SPV錢包中默克爾的效率

SPV錢包在很大程度上依賴於Merkle樹來有效運行。這些錢包不會下載整個區塊鏈，而是連接到完整的節點以要求對特定交易的默克爾進行證明。該過程涉及：

• SPV客戶端請求交易的包含在完整節點上。
• 生成默克爾路徑的完整節點 - 重新計算默克爾根所需的同胞哈希列表。
• SPV客戶端將交易哈希與所提供的哈希相結合的順序正確。
• 重新計算根並將其與塊標頭中的一個進行比較。

這種方法大大降低了帶寬和存儲要求。對於具有1,000筆交易的塊，在默克爾路徑中只需要大約10個哈希（log₂（1000）），從而使驗證快速且輕量級。該過程的安全性取決於哈希功能的不變性和塊標頭默克爾根的誠實。

區塊鏈之間的實施差異

儘管核心概念保持一致，但不同的區塊鏈實現了具有變化的默克爾樹。 Bitcoin使用帶有SHA-256哈希的二進制默克爾樹。交易成對哈希，並從自下而上構建樹。但是，以太坊採用了一個更複雜的結構，稱為默克爾·帕特里夏樹（Merkle Patricia Tree） ，該結構不僅支持交易，而且還支持狀態和存儲。這使以太坊可以有效地驗證帳戶餘額和智能合同數據。

一些較新的區塊鏈使用默克爾山脈（MMR）用於動態數據集，尤其是在輕度客戶端協議和時間戳系統中。 MMR可以有效地插入新數據，而無需重建整棵樹，使其適合Sidechains和無狀態客戶。儘管有結構上的差異，但基本目標仍然相同：安全，高效和可驗證的數據表示。

默克樹和數據修剪

Merkle樹啟用區塊鏈修剪，該技術在其中節點刪除舊事務數據以節省空間，同時保留驗證新區塊的能力。由於Merkle根封裝了所有交易，因此修剪的節點可以在確認其包含後丟棄單個交易細節。在需要時，可以使用Merkle證明從其他節點中檢索歷史數據。存儲效率和可驗證性之間的平衡對於可伸縮性至關重要。

支撐修剪的節點僅維護塊標頭和UTXO（無需交易輸出）設置。他們依靠Merkle根來確保UTXO設置與區塊鏈的歷史記錄保持一致。這種設計使網絡能夠增長，而無需強迫每個參與者存儲數據的數據，從而促進了較寬的節點分佈和權力下放。

常見問題

默克爾樹可以檢測到哪些交易發生了變化嗎？雖然默克爾樹證實通過產生不同的根而發生的變化，但它不能直接識別變更的交易。為了找到特定的事務，節點必須通過重新劃分分支來比較單個交易哈希或在樹上使用二進制搜索。

Merkle根是否存儲在每個塊中？是的，默克爾根包含在每個塊的塊標頭中。它是確保塊的完整性並在共識和驗證過程中使用的關鍵字段之一。

如果一個塊中只有一筆交易，會發生什麼？如果一個塊僅包含一個事務，則該事務的哈希將變成葉節點。由於沒有對，因此將哈希複製以形成一對，並且該對的結果成為默克爾根。這樣可以確保樹結構保持一致。

所有節點是否獨立計算Merkle詞根？是的，完整節點獨立地從塊中的交易中計算出默克爾根，然後將其與塊標頭中的交易進行比較。這種獨立驗證對於維持分散網絡中的信任和安全至關重要。