比特幣區(qū)塊結(jié)構(gòu)Merkle樹及簡(jiǎn)單支付驗(yàn)證分析

zzzmh 發(fā)布于2019-06-27 18:25 / 425人閱讀

摘要：區(qū)塊體則包括當(dāng)前區(qū)塊經(jīng)過驗(yàn)證的區(qū)塊創(chuàng)建過程中生成的所有交易記錄。假如要驗(yàn)證區(qū)塊結(jié)構(gòu)圖中交易，節(jié)點(diǎn)會(huì)通過向相鄰節(jié)點(diǎn)索要通過消息包括從交易哈希值沿樹上溯至區(qū)塊頭根哈希處的哈希序列即哈希節(jié)點(diǎn)稱為認(rèn)證路徑來(lái)確認(rèn)交易的存在性和正確性。

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在比特幣網(wǎng)絡(luò)中，不是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有能力儲(chǔ)存完整的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，受限于存儲(chǔ)空間的的限制，很多節(jié)點(diǎn)是以SPV（Simplified Payment Verification簡(jiǎn)單支付驗(yàn)證）錢包接入比特幣網(wǎng)絡(luò)，通過簡(jiǎn)單支付驗(yàn)證可以在不必存儲(chǔ)完整區(qū)塊鏈下對(duì)交易進(jìn)行驗(yàn)證，本文將分析區(qū)塊結(jié)構(gòu)Merkle樹及如何進(jìn)行交易驗(yàn)證。

區(qū)塊結(jié)構(gòu)

在工作量證明中出現(xiàn)過一個(gè)區(qū)塊信息截圖：

細(xì)心的同學(xué)一定已經(jīng)在里面發(fā)現(xiàn)了很多未講的其他信息，如：時(shí)間戳，版本號(hào)，交易次數(shù)，二進(jìn)制哈希樹根(Merkle根)等。

我們來(lái)看看一個(gè)區(qū)塊結(jié)構(gòu)到底是怎樣的：

如上圖（下文稱：區(qū)塊結(jié)構(gòu)圖）所示：每個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)塊包含區(qū)塊頭和區(qū)塊體。
區(qū)塊頭封裝了當(dāng)前版本號(hào)、前一區(qū)塊哈希值、當(dāng)前區(qū)塊PoW要求的隨機(jī)數(shù)(Nonce)、時(shí)間戳、以及Merkle根信息。
區(qū)塊體則包括當(dāng)前區(qū)塊經(jīng)過驗(yàn)證的、區(qū)塊創(chuàng)建過程中生成的所有交易記錄。這些記錄通過 Merkle樹的哈希過程生成唯一的Merkle根并記入?yún)^(qū)塊頭.

區(qū)塊哈希值實(shí)際上并不包含在區(qū)塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里，其實(shí)區(qū)塊打包時(shí)只有區(qū)塊頭被用于計(jì)算哈希（從網(wǎng)絡(luò)被接收時(shí)由每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算出來(lái)），常說的區(qū)塊哈希值實(shí)際是區(qū)塊頭哈希值，它可以用來(lái)唯一、明確地標(biāo)識(shí)一個(gè)區(qū)塊。

區(qū)塊頭是80字節(jié)，而平均每個(gè)交易至少是250字節(jié)，而且平均每個(gè)區(qū)塊包含2000個(gè)交易。因此，包含完整交易的區(qū)塊比區(qū)塊頭的4千倍還要大。
SPV節(jié)點(diǎn)只下載區(qū)塊頭，不下載包含在每個(gè)區(qū)塊中的交易信息。這樣的不含交易信息的區(qū)塊鏈，大小只有完整區(qū)塊鏈的幾千分之1，那SPV節(jié)點(diǎn)是如何驗(yàn)證交易的呢？

哈希驗(yàn)證

上面先留一個(gè)引子，先來(lái)回顧下哈希函數(shù)，記賬原理我們知道原始信息任何微小的變化都會(huì)哈希完全不同的哈希值。

簡(jiǎn)單文件驗(yàn)證

我們通常用哈希來(lái)檢驗(yàn)下載的文件是否完整，我經(jīng)常看到這樣的下載頁(yè)面：

可以看到下載鏈接后面提供了一個(gè)MD5（MD5也是一種Hash算法），這樣我們可以在下載之后對(duì)文件計(jì)算MD5，如果MD5與提供的MD5相等，說明文件有沒有被損壞，這個(gè)驗(yàn)證過程相信大家都能理解。

多點(diǎn)文件驗(yàn)證(哈希列表)

現(xiàn)在復(fù)雜度提高一點(diǎn)，在P2P網(wǎng)絡(luò)中下載時(shí)，會(huì)把大文件切成小文件，同時(shí)從多個(gè)機(jī)器上下載數(shù)據(jù)，這個(gè)時(shí)候怎么驗(yàn)證數(shù)據(jù)呢？

以BT下載為例，在下載真正的數(shù)據(jù)之前，我們會(huì)先下載一個(gè)哈希列表的（每個(gè)下小塊計(jì)算出一個(gè)哈希），如果有一個(gè)小塊數(shù)據(jù)在傳輸過程中損壞了，那我只要重新下載這一個(gè)數(shù)據(jù)塊就行了，這時(shí)有一個(gè)問題就出現(xiàn)了，那么多的哈希，怎么保證它們本身(哈希列表中的哈希值)都是正確地呢？

答案是把每個(gè)小塊數(shù)據(jù)的哈希值拼到一起，然后對(duì)這個(gè)長(zhǎng)字符串在作一次哈希運(yùn)算，得到哈希列表的根哈希。只要根哈希校對(duì)比一樣就說明驗(yàn)哈希列表是正確的，再通過哈希列表校驗(yàn)小數(shù)據(jù)塊，如果所有的小數(shù)據(jù)塊驗(yàn)證通過則說明大文件沒有被損壞。

Merkle樹

驗(yàn)證交易的過程和文件驗(yàn)證很相似，可以人為每個(gè)交易是一個(gè)小數(shù)據(jù)塊，但比特幣使用Merkle樹的方式進(jìn)行驗(yàn)證，相對(duì)于哈希列表，Merkle樹是一種哈希二叉樹，它的明顯的一個(gè)好處是可以多帶帶拿出一個(gè)分支來(lái)（作為一個(gè)小樹）對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，更加高效。

我們回看下上面的區(qū)塊結(jié)構(gòu)圖，區(qū)塊體就包含這樣一個(gè)Merkle樹,Merkle樹被用來(lái)歸納一個(gè)區(qū)塊中的所有交易。

每個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)是每個(gè)交易信息的哈希，往上對(duì)相鄰的兩個(gè)哈希合并成字符串再哈希，繼續(xù)類似的操作直到只剩下頂部的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，即Merkle根，存入?yún)^(qū)塊頭。

因?yàn)镸erkle樹是二叉樹，所以它需要偶數(shù)個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)。如果僅有奇數(shù)個(gè)交易需要?dú)w納，那最后的交易就會(huì)被復(fù)制一份以構(gòu)成偶數(shù)個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)，這種偶數(shù)個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)的樹也被稱為平衡樹。

簡(jiǎn)化支付驗(yàn)證

SPV節(jié)點(diǎn)不保存所有交易也不會(huì)下載整個(gè)區(qū)塊，僅僅保存區(qū)塊頭，我們來(lái)看看它是如何對(duì)交易數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證的。

假如要驗(yàn)證區(qū)塊結(jié)構(gòu)圖中交易6，SPV節(jié)點(diǎn)會(huì)通過向相鄰節(jié)點(diǎn)索要（通過Merkleblock消息）包括從交易6哈希值沿Merkle樹上溯至區(qū)塊頭根哈希處的哈希序列 (即哈希節(jié)點(diǎn)6, 5, 56, 78, 5678, 1234 1~8 - 稱為認(rèn)證路徑) 來(lái)確認(rèn)交易的存在性和正確性。（在N個(gè)交易組成的區(qū)塊中確認(rèn)任一交易只需要計(jì)算log2(N)個(gè)字節(jié)的哈希值，非常快速高效）

大家明白了嗎？

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