最近通过 Solidity-103 课程在学习 Solidity, 看到第36课 Merkle Tree 的时候着实头疼, 即使我已经了解 Merkle Tree 这数据结构，但是课程还是看得不明所以。

所以写下这篇文章，梳理我所理解的 Merkle Tree 及其用途，既加深自己的理解，又践行了费曼学习法

2 区块链与交易

关于区块链的资料有非常多，我也不赘述了.

简单理解，区块链是由一个一个区块构成的有序链表，每一个区块都记录了一系列交易，并且，每个区块都指向前一个区块，从而形成一个链条。区块链听起来很高级，其实就是个单链表。

每个区块都会保存对应的交易信息，也会包含元数据信息在头部，包括前一个区块的 hash, 包含的交易数，merkle tree 的根节点 hash,时间戳等信息.

我们总说区块链是不可窜改，那么它究竟是怎么不可窜改的?

如果用户想要验证某个区块的某笔交易是否被窜改，他要怎么做？
最简单的方式自然是把整个区块的交易都下载下来，平均每个区块有1M的数据，验证起来肯定很费时间.

是否有一个验证方案，可以使用很小的数据集就完成验证?

有的，那就是 Merkle Tree.

3 Merkle Tree

那什么是 Merkle Tree?

假如我们有8笔交易被包含在区块中, 每笔交易都可以通过 hash 函数计算出一个 hash 值:

哈希值也可以看做数据，所以可以把 h1 和 h2 拼起来， h3 和 h4 拼起来, 依此类推，再计算出哈希值 b1 和 b2

递归计算下去，直到计算结果只有一个 hash 值，这个就是所谓的 merkle root, 而 h1-h8 就是所谓的 leaf node, 两者之间的就是 non-leaf node.

交易数量恰好是偶数能这么算，如果是奇数，那要怎么算呢？这个时侯，只需要把最后一个 hash 值复制一份，也能算出最终的 merkle root：

4 Merkle tree validation

现在有了 Merkle Tree, 如果我们要验证区块中的交易是否被修改，要怎么算呢？

最简单粗暴的方式肯定是把区块所有的交易下载下来，从头重组整棵 Merkle Tree, 8笔交易计算起来还可以，如果是几千笔呢？几百万笔呢？甚至几亿笔交易呢？

重组 Merkle Tree 的时间复杂度是 O(N), 如果是1亿笔交易，这意味着你要计算1亿次，太慢了。

但是，如果我们利用 Merkle Tree 的特性，从数学的角度，我们只需要少量的Merkle Proof(你可以理解成需要提供的验证数据集), 就可以完成验证.

回到上文的 Merkle Tree, 假如我们要验证 tx2 是否被窜改，我们需要有 Merkle Tree Root 和 Merkle Proof:

假设现在我们有 tx2 的交易数据，我们只需要 Merkle Proof 提供3个hash 值(图中的绿色部分)，然后我们只计算4次（橙色部分），就会算出 Merkle Root Tree 的值，用来和区块头部的 Merkle root 值进行比对。

通过 Merkle Proof 提供的数据集，我们就可以把下载8笔交易，计算15次hash，优化成只需3个 hash 值，以及计算4次hash，需要的 Merkle Proof 数量等于Merkle Tree的高度，而Merkle Tree就是一棵完美的平衡二叉树, 树的高度就是 log₂(N), 所以时间复杂度从O(N)降低成O(logN).

这个比对似乎不明显，但是以1亿交易为例的话，log(1_000_000_000) ~= 27, 也就是只需要 Merkle Proof 提供27个 hash 值即可, 巨大的性能提升.

5 区块链的不可窜改性

通过Merkle tree root可以保证交易的不可窜改性，而区块 hash 又能保证区块头部的元数据不被窜改.

因为每个区块都有区块 hash, 区块hash是通过计算头部元数据信息计算出来的:

只要修改了其中一个元数据值，那么 block hash 就会发生变化，而区块链就是一个单链表，通过后一个区块通过 prev_hash 指向前一个区块，如果 block hash 发生变化，那么后一个区块就无法正确指向前一个区块了，这个链就断了.

如果一个恶意的攻击者修改了一个区块中的某个交易，那么Merkle Hash验证就不会通过。

所以，他只能重新计算Merkle Hash，然后把区块头的Merkle Hash也修改了。

这时，我们就会发现，这个区块本身的Block Hash就变了，所以，下一个区块指向它的链接就断掉了, 他就要把后续所有区块全部重新计算并且伪造出来，才能够修改整个区块链；

而要修改后续所有区块，这个攻击者必须掌握全网51%以上的算力才行。

理论上可行，但是实操难度非常非常非常大.

6 Merkle Tree 版本管理中的应用

除去区块链，Merkle Tree还被应用于类似 Git 和 Mercurial 这样的版本管理系统中，以Git为例, 假如我们Git项目内有4个文件:

当你push 代码到远程分支或者从远程分支 pull 代码的时候，Git就计算你的Merkle Tree Root 的值, 比较远程分支的Merkle Tree Root和本地分支的Merkle Tree Root 是否相同:

如果相同，那就不用更新了；如果不同的话它就会检查左节点或者右节点，并且递归下去，
直到找到是哪些文件发生了修改，只通过网络传输修改部分的内容, 以提高传输效率.

不过Git实际用的是Merkle Tree的变体，并不是直接使用Merkle Tree.

除些之外, Merkle Tree 还在 Cassandra, DynamoDB 这样的NoSQL数据库中被用于检查不同节点数据的一致性, 细节可以看下这个 Stackoverflow 问题。

7 参考

• Blockchain for Test Engineers: Merkle Trees
  
• Understanding Merkle Trees
  
• Explain Merkle Trees for use in Eventual Consistency
  

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