[区块链] 密码学——Merkle 树

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  在计算机领域,Merkle树大多用来进行完全性验证补救。在补救完全性验证的应用场景中,不得劲是在分布式环境下进行原本的验证时,Merkle树会大大减少数据的传输量以及计算的错综复杂度。

  Merkle哈希树是一类基于哈希值的二叉树或多叉树,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是将该节点的所有子节点的组合结果的哈希值。

  如下图所示为十几个 Merkle哈希树,节点A的值能能通过节点C、D上的值计算而得到。叶子节点C、D分别存储数据块001和002的哈希值,而非叶子节点A存储的是其子节点C、D的组合的哈希值,之类 非叶子节点的哈希值被称作路径哈希值,而叶子节点的哈希值是实际数据的哈希值。

  当数据从A端传到B端时,为了检验数据的完全性,只能能验证A、B端上所构造的Merkle树的根节点否是一致即可。若一致,表示数据在传输过程中必须位于改变。若不一致,说明数据在传输过程中被修改。怎么能让通过Merkle树很容易定位找到被篡改的节点。定位的时间错综复杂度为O(log(n))。

  比特币的轻量级节点所采用的SPV验证怎么能让利用Merkle树这些 优点。

  区块链中的Merkle树是二叉树,用于存储交易信息。每个交易两两配对,构成Merkle树的叶子节点,进而生成整个Merkle树。Merkle树使得用户能能通过从区块头得到的Merkle树根和别的用户所提供的中间哈希值列表去验证某个交易否是蕴含在区块中。提供中间哈希值的用户暂且需怎么能让可信的,怎么能让伪造区块头的代价很高,而中间哈希值怎么能让伪造励志的话 会原困分析验证失败。

  通常,加密的hash措施像SHA-2和MD5用来做Hash。但怎么能让仅仅补救数据能能蓄意的损坏或篡改,能能改用一点安全性低但传输速率高的校验和算法,如CRC。

  Second Preimage Attack: Merkle tree的树根暂且表示树的高度,这怎么能让会原困分析second-preimage attack,即攻击者创建十几个 具有相同Merkle树根的虚假文档。十几个 简单的补救措施在Certificate Transparency中定义:当计算叶节点的hash时,在hash数据前加0x00。当计算内部管理节点是,在前面加0x01。另外一点实现限制hash tree的根,通过在hash值前面加高度前缀。怎么能让,前缀每一步会减少,必须当到达叶子时前缀依然为正,提取的hash链才被定义为有效。

Merkle tree操作:

  1.创建Merckle Tree

  加入最底层有9个数据块。

  step1:(红色线)对数据块做hash运算,Node0i = hash(Data0i), i=1,2,…,9

  step2: (橙色线)相邻十几个 hash块串联,怎么能让做hash运算,Node1((i+1)/2) = hash(Node0i+Node0(i+1)), i=1,3,5,7;对于i=9, Node1((i+1)/2) = hash(Node0i)

  step3: (黄色线)重复step2

  step4:(绿色线)重复step2

  step5:(淡蓝色线)重复step2,生成Merkle Tree Root

  易得,创建Merkle Tree是O(n)错综复杂度(这里指O(n)次hash运算),n是数据块的大小。得到Merkle Tree的树高是log(n)+1。

  2.检索数据块 

  为了更好理解,亲戚亲戚让让我们 假设有A和B两台机器,A能能与B相同目录下有8个文件,文件分别是f1 f2 f3 ....f8。这些 时候亲戚亲戚让让我们 就能能通过Merkle Tree来进行快速比较。假设亲戚亲戚让让我们 在文件创建的时候每个机器都构建了十几个 Merkle Tree。具体如下图:

  从上图可得知,叶子节点node7的value = hash(f1),是f1文件的HASH;而其父亲节点node3的value = hash(v7, v8),也怎么能让其子节点node7 node8的值得HASH。怎么能让原本表示十几个 层级运算关系。root节点的value实在是所有叶子节点的value的唯一特性。

  怎么能让我我A上的文件5与B上的不一样。亲戚亲戚让让我们 缘何通过十几个 机器的merkle treee信息找到不相同的文件? 这些 比较检索过程如下:

  Step1. 首先比较v0否是相同,怎么能让不同,检索其孩子node1和node2.

  Step2. v1 相同,v2不同。检索node2的孩子node5 node6;

  Step3. v5不同,v6相同,检索比较node5的孩子node 11 和node 12

  Step4. v11不同,v12相同。node 11为叶子节点,获取其目录信息。

  Step5. 检索比较完毕。

  以上过程的理论错综复杂度是Log(N)。 

  3. 更新,插入和删除

  实在网上有一点一点关于Merkle Tree的资料,但大次责必须涉及Merkle Tree的更新、插入和删除操作,讨论Merkle Tree的检索和遍历的比较多。显然,某种树特性的操作肯定不仅包括查找,也包括更新、插入和删除的啊。时候查到风之舞555的总结的文章,少有感悟,下面引用风之舞555对该次责讲述:

  对于Merkle Tree数据块的更新操作实在是很简单的,更新完数据块,怎么能让接着更新其到树根路径上的Hash值就必须,原本不让改变Merkle Tree的特性。怎么能让,插入和删除操作肯定会改变Merkle Tree的特性,如下图,某种插入操作是原本的:

  插入数据块0后(考虑数据块的位置),Merkle Tree的特性是原本的:

  而有的同学在考虑某种插入的算法,满足下面条件: 

  • re-hashing操作的次数控制在log(n)以内
  • 数据块的校验在log(n)+1以内
  • 除非原始树的n是偶数,插入数据后的树必须孤儿,怎么能让怎么能让有孤儿,必须孤儿是最后十几个 数据块
  • 数据块的顺序保持一致
  • 插入后的Merkle Tree保持平衡

  怎么能让中间的插入结果就会变成原本:

  一点一点,Merkle Tree的插入和删除操作实在是十几个 工程上的大问题,不同大问题会有不同的插入措施。怎么能让要确保树是平衡的怎么能让是树高是log(n)的,能能用任何的标准的平衡二叉树的模式,如AVL树,红黑树,伸展树,2-3树等。有有哪些平衡二叉树的更新模式能能在O(lgn)时间内完成插入操作,怎么能让能保证树高是O(lgn)的。必须很容易能能看出更新所有的Merkle Hash能能在O((lgn)2)时间内完成(对于每个节点如要更新从它到树根O(lgn)个节点,而为了满足树高的要求能能更新O(lgn)个节点)。怎么能让仔细分析励志的话 ,更新所有的hash实际能能能在O(lgn)时间内完成,怎么能让要改变的所有节点能能相关联的,即亲戚让让我们 要能能能能从某个叶节点到树根的每根路径上,怎么能让这些 情况表相近。

  实际上Merkle Tree的特性(否是平衡,树高限制十几个 )在大多数应用中暂且重要,怎么能让保持数据块的顺序也在大多数应用中怎么能让能能。怎么能让,能能根据具体应用的情况表,设计各自 的插入和删除操作。十几个 通用的Merkle Tree插入删除操作是必须意义的。


拓展知识:

  Hash List 与 Merkle tree 有有哪些异同?

       娓娓道来~~~~~~~

  网络传输数据的时候,A收到B的传过来的文件,能能确认收到的文件有必须损坏。怎么能能补救?

  :有某种措施是B在传文件时候先把文件的hash结果给A,A收到文件再计算一次哈希怎么能让和收到的哈希比较就知道文件否是损坏。

  怎么能让当文件很大的时候,往往能能把文件拆分一点一点的数据块各自 传输,这些 时候就能能知道每个数据块的哈希值。缘何办呢?

  :这些 情况表,能能在下载数据时候先下载一份哈希列表(hash list),这些 列表每一项对应十几个 数据块的哈希值。对这些 hash list拼接能能能计算十几个 根hash。实际应用中,亲戚亲戚让让我们 怎么能让我确保从十几个 可信的渠道获取正确的根hash,就能能确保下载正确的文件。

  怎么能让基于hash list的方案原本十几个 大问题: 数据块一点一点的时候,往往遍历所有数据块的Hash List代价比较大。

  有必须某种措施能能通过次责Hash就能校验整个文件的完全性呢?

  :答案是肯定的!Merkle Tree 就能做到!

  Merkle Tree和Hash List的主要区别是,能能直接下载并立即验证Merkle Tree的十几个 分支。怎么能让能能将文件切分成小的数据块,原本怎么能让有一块数据损坏,仅仅重新下载这些 数据块就行了。怎么能让文件非常大,必须Merkle tree和Hash list都很大,怎么能让Merkle tree能能一次下载十几个 分支,怎么能让立即验证这些 分支,怎么能让分支验证通过,就能能下载数据了。而Hash list必须下载整个hash list能能验证。


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REFERENCE

1.Merkle Tree 学习 http://www.cnblogs.com/fengzhiwu/p/5524324.html

2. Merkle Tree 增删数据http://crypto.stackexchange.com/questions/22669/merkle-hash-tree-updates

3.Merkle Tree、Hash List https://blog.csdn.net/pony_maggie/article/details/74538902