区块链基础之Merkle树

Merkle树是区块链技术的基石之一，确保了去中心化环境下的数据可信性。

Merkle树（Merkle Tree）是一种基于哈希的树状数据结构，由计算机科学家Ralph Merkle在1979年提出。

它广泛应用于分布式系统、密码学和区块链（如比特币、以太坊）中，用于高效验证数据的完整性和一致性。

核心特点

1. 哈希树结构：

   • 叶子节点存储数据的哈希值（如交易哈希）。
   • 非叶子节点存储其子节点哈希值组合后的哈希。
   • 最终形成一个树根（Merkle Root），代表整个数据集的唯一指纹。

2. 高效验证：

   • 只需对比Merkle Root即可快速判断数据是否被篡改。
   • 验证单个数据时，只需提供从该数据到根节点的路径（Merkle Proof），无需下载全部数据。

工作流程

1. 构建：

   • 数据分块 → 计算每个块的哈希（叶子节点）→ 两两哈希合并 → 递归向上直到生成根哈希。

2. 验证：

   • 若某数据块被修改，其哈希变化会层层传递至根节点，导致Merkle Root不匹配。

区块链中的应用（以比特币为例）

• 轻节点验证：轻节点仅存储Merkle Root，通过Merkle Proof验证交易是否存在于区块中。
• 防篡改：任何交易改动都会改变根哈希，使区块失效。

优势

• 空间效率：仅需存储少量哈希即可验证大规模数据。
• 时间效率：验证复杂度为O(log n)，远优于线性扫描。

示例

假设有4笔交易（TxA, TxB, TxC, TxD）：

1. 计算叶子节点：Hash(TxA), Hash(TxB), Hash(TxC), Hash(TxD)。
2. 合并相邻哈希：Hash(Hash(TxA) + Hash(TxB)) → HashAB，同理生成HashCD。
3. 最终根哈希：Merkle Root = Hash(HashAB + HashCD)。