梅克尔树 - 发现数据篡改的有效手段。 _区块链

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前言
工作量证明是哈希的典型应用，本期我们继续深入讨论哈希的第二个典型应用，梅克尔树。大家都知道哈希函数的应用场景有很多。比如，比特币中挖矿要求的工作量证明。梅克尔树在区块链中如何实现区块的防篡改。区块是怎么通过哈希链接成区块链的。都可以应用哈希的特性来实现。这次我们把梅克尔树在比特币中如何验证交易被篡改，如何实现节点的轻量化，也就是说为什么手机钱包或移动钱包成为了可能的原因，从技术角度讲清楚，讲透彻。
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什么是梅克尔树
大家都知道区块链是一个链式结构，这个链式结构将区块串链起来，构成了区块链。我们将其中一个区块放大观察，解剖麻雀，你会发现每一个区块里有一个金字塔，这个金字塔叫做梅克尔树。
梅克尔树的作用
这是一种神奇的数据结构，它能有效发现数据是否篡改、是否破坏，甚至可以识别对方是冒牌的。这个树状结构是由加密学家 Ralph在1979年发表的。中本聪甚至用它来压缩区块链的存储空间。让我们看一下它的神奇之处。
梅克尔树的原理交易
有了这些交易以后，我们来看看如何搭建这个金字塔的。我们来到了梅克尔树的第二层，将交易A的进行哈希得到哈希值HA，将交易B的进行哈希得到哈希值HB，以此类推完成第二层的工作。第三层，对HA和HB进行哈希得到HAB，对HC和HD进行哈希得到HCD 。第四层，最后对HAB和HCD进行哈希，够成了梅克尔树的树根，也就是形成了金字塔的顶端。
目的和意义
我们历经千辛万苦，建成了梅克尔树这个金字塔，它有什么用呢？这个梅克尔树是区块中的主要组成部分，当区块从美国节点发放到中国节点时，黑客对这个区块进行了篡改。中国节点B是如何检测或验证是否被篡改了？我们来看一个实际例子。
比如说BOb将刚才交易中的5元变成了6元，也就是交易A的内容发生了改变。B节点接收到这个区块时要对收到的信息进行验证，验证的过程也是重新搭建梅克尔树的过程，CN节点中看新搭建的梅克尔树与原有的是否保持一致，由于交易A的数据发生变化导致HA的值与USA节点的不同，从底向上搭建出新的梅克尔树，新的金字塔顶端与USA节点不同。也就是说如果梅克尔树中的任意信息被篡改，那么重新搭建的树的根一定不同。因为CN节点在接收梅克尔树之前就得到了这个树的树根，如果发现新搭建的树根与之前的树根不一样，那说明交易数据被篡改了。为什么CN节点在接收梅克尔树之前就得到了这个树的树根，抖音频道下一期分解。

文章插图
现实的应用
另外，没有梅克尔树，就没有手机钱包的存在。整个比特币的区块链数据需要至少250G的硬盘和2G的内存。存储整个比特币的区块链数据的节点叫做全节点，全节点一般是一个台式机，他有足够的磁盘空间和内存，用来保存和同步所有区块数据。如果所有数据都放到手机端来同步和验证，手机几乎干不了别的事情了。那么如何用手机只存储关键的、少量的、安全的信息，是手机钱包要突破的关键难题之一。
中本聪对梅克尔树进行了反复思考，发现梅克尔树中仍有很多与钱包地址不相关的交易，这些交易不是我关心的，与我无关。这些交易能不能最大化的进行删除？删除梅克尔树中的不必要信息？
在USA节点中，CN关心的交易在K中，其他的交易都不关心，那么USA节点只向CN节点发送HK，HL，HIJ，HMNPO，数据即可。CN接收到数据后，可以将HK与HL进行哈希得到HKL，HKL与HIJ进行哈希得到HKLIJ，一直从底部线上构重新建梅克尔树这个金字塔，最终得到根为A到P的哈希值，如果K中信息在传输中有变化，那利用梅克尔树的机制可以验证出来。这样新版的梅克尔树只保留了最小且必要的信息，删除了区块中与钱包地址没有关系的交易。同时USA节点减少了传送的带宽。