区块链中的默克尔树如何使用？

在区块链的背景下了解默克尔树

默克尔树（也称为哈希树）是区块链技术中用于确保数据完整性和效率验证交易的基本加密结构。在默克尔树中，每个叶子节点都是交易数据的哈希，每个非叶子节点都是其子节点的哈希。这种层次结构允许快速且安全地验证大量数据。树的根（称为默克尔根）提供了一个单个哈希，代表块中的所有交易。单个交易的任何变化都会改变默克尔根部，使篡改易于检测。

Bitcoin和以太坊（Ethereum）等区块链网络使用Merkle树来总结一个块中的所有交易。该设计减少了验证交易所需的计算负担。节点可以验证块标头中包含的默克尔根。 Merkle根的紧凑性质使轻量级客户端（例如SPV（简化的付款验证）节点）可以在不下载整个区块链的情况下确认交易包含。

默克尔树的结构和建造

默克尔树的建造遵循一个精确的哈希过程：

• 块中的每个事务都使用加密哈希函数（通常是Bitcoin中的SHA-256） 。
• 这些单独的交易哈希构成了树的叶子节点。
• 对叶节点的对成对是连接的，并将其放在一起形成父节点。
• 这个配对和哈希过程一直递归，直到仅保留一个哈希为止 -默克尔根。
• 如果在任何级别上都有奇数的节点，则最后一个节点被复制以形成一对。

例如，有四个交易（T1，T2，T3，T4）：

• 将哈希（T1）和哈希（T2）组合在一起，并散列以创建H12。
• 哈希（T3）和哈希（T4）合并并散列以创建H34。
• 然后将H12和H34组合在一起，并哈希产生默克尔根。

该结构可确保最终根在密码上取决于块中的每个事务。即使是交易中的微小改变也会传播树并改变默克尔根，使其立即显现出来。

默克尔树在块验证中的作用

在块验证期间，节点使用存储在块标头中的默克尔根来验证交易的完整性。块标头小（Bitcoin中的80个字节），使其有效传输和存储。当一个节点接收一个新块时，它会重新估计从随附的交易中重新计算默克尔根，并将其与标头中的默克尔根进行比较。如果它们匹配，则交易将被确认为不变。

这种机制对于分散的共识至关重要。完整的节点可以独立验证块，而轻量级节点则使用默克尔证明来检查块中是否包含特定的事务。默克尔的证明由哈希（默克路径）的子集组成，该哈希（默克路径）允许节点仅使用所讨论的交易和提供的哈希来重新计算默克尔根。这可以实现无信任的验证，而无需访问完整的块数据。

SPV钱包中默克尔的效率

SPV钱包在很大程度上依赖于Merkle树来有效运行。这些钱包不会下载整个区块链，而是连接到完整的节点以要求对特定交易的默克尔进行证明。该过程涉及：

• SPV客户端请求交易的包含在完整节点上。
• 生成默克尔路径的完整节点 - 重新计算默克尔根所需的同胞哈希列表。
• SPV客户端将交易哈希与所提供的哈希相结合的顺序正确。
• 重新计算根并将其与块标头中的一个进行比较。

这种方法大大降低了带宽和存储要求。对于具有1,000笔交易的块，在默克尔路径中只需要大约10个哈希（log₂（1000）），从而使验证快速且轻量级。该过程的安全性取决于哈希功能的不变性和块标头默克尔根的诚实。

区块链之间的实施差异

尽管核心概念保持一致，但不同的区块链实现了具有变化的默克尔树。 Bitcoin使用带有SHA-256哈希的二进制默克尔树。交易成对哈希，并从自下而上构建树。但是，以太坊采用了一个更复杂的结构，称为默克尔·帕特里夏树（Merkle Patricia Tree） ，该结构不仅支持交易，而且还支持状态和存储。这使以太坊可以有效地验证帐户余额和智能合同数据。

一些较新的区块链使用默克尔山脉（MMR）用于动态数据集，尤其是在轻度客户端协议和时间戳系统中。 MMR可以有效地插入新数据，而无需重建整棵树，使其适合Sidechains和无状态客户。尽管有结构上的差异，但基本目标仍然相同：安全，高效和可验证的数据表示。

默克树和数据修剪

Merkle树启用区块链修剪，该技术在其中节点删除旧事务数据以节省空间，同时保留验证新区块的能力。由于Merkle根封装了所有交易，因此修剪的节点可以在确认其包含后丢弃单个交易细节。在需要时，可以使用Merkle证明从其他节点中检索历史数据。存储效率和可验证性之间的平衡对于可伸缩性至关重要。

支撑修剪的节点仅维护块标头和UTXO（无需交易输出）设置。他们依靠Merkle根来确保UTXO设置与区块链的历史记录保持一致。这种设计使网络能够增长，而无需强迫每个参与者存储数据的数据，从而促进了较宽的节点分布和权力下放。

常见问题

默克尔树可以检测到哪些交易发生了变化吗？虽然默克尔树证实通过产生不同的根而发生的变化，但它不能直接识别变更的交易。为了找到特定的事务，节点必须通过重新划分分支来比较单个交易哈希或在树上使用二进制搜索。

Merkle根是否存储在每个块中？是的，默克尔根包含在每个块的块标头中。它是确保块的完整性并在共识和验证过程中使用的关键字段之一。

如果一个块中只有一笔交易，会发生什么？如果一个块仅包含一个事务，则该事务的哈希将变成叶节点。由于没有对，因此将哈希复制以形成一对，并且该对的结果成为默克尔根。这样可以确保树结构保持一致。

所有节点是否独立计算Merkle词根？是的，完整节点独立地从块中的交易中计算出默克尔根，然后将其与块标头中的交易进行比较。这种独立验证对于维持分散网络中的信任和安全至关重要。