Merkle树算法解析及python实现

最新推荐文章于 2025-06-19 17:35:40 发布

谨墨

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分类专栏：区块链——琐碎知识

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本文介绍了Merkle树的概念及其在分布式系统、P2P和区块链中的应用。Merkle树是一种数据结构，通过计算哈希值确保数据的完整性和正确性。文中提供了一个简单的Python实现，展示了如何构建Merkle树并获取proof。proof可用于验证数据的完整性，例如在多源下载中使用Merkle树进行数据校验。

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Merkle tree概念
在分布式系统、P2P应用中或者是区块链中，会经常使用一种数据结构Merkle tree（默克尔树），这里我们将讨论Merkle树算法解析及python实现。

Merkle树看起来非常像二叉树，其叶子节点上的值通常为数据块的哈希值，而非叶子节点上的值，所以有时候Merkle tree也表示为Hash tree，如下图所示：

在这里插入图片描述

构造Merkle tree时：
（1）对data blocks分别计算哈希值（sha256等算法）；
（2）每层两两计算获得hash值；（如图）
（3）直至计算至最上一层，得到proof。

proof可以用来检验数据的完整性和正确性，即一个data block的改动或缺失，就会导致proof的改变。
同时，merkle树可以用于数据传输，同时从多个机器下载数据的不同部分，可以提高效率。常见的迅雷的p2p下载，即采用这种模式，从多台机器下载，并用merkle tree检验数据的完整性和正确性。
算法实现
我们采用python进行简单的merkle树实现，获得proof及高度。

import hashlib

def hash_data(data, hash_function = 'sha256'):
    "hash function"
    hash_function = getattr(hashlib, hash_function)
    data = data.encode('utf-8')
    return hash_function(data).hexdigest()

def concat_and_hash_list(lst, hash_function = 'sha256'):
    lst1 = []
    for i in lst:
        lst1.append(hash_data(i))
    # print(lst1)

    assert len(lst1)>2, "no tracnsactions to be hashed"
    n = 0 #merkle树高度
    while len(lst1) >1:
        n += 1
        if len(lst1)%2 == 0:
            v = []
            while len(lst1) >1 :
                a = lst1.pop(0)
                b = lst1.pop(0)
                v.append(hash_data(a+b, hash_function))
            lst1 = v
        else:
            v = []
            l = lst1.pop(-1)
            while len(lst1) >1 :
                a = lst1.pop(0)
                b = lst1.pop(0)
                v.append(hash_data(a+b, hash_function))
            v.append(l)
            lst1 = v
    return lst1, n+1


l = ['a', 'b', 'c',"d"]
print(concat_and_hash_list(l))