区块链学习1：Merkle树（默克尔树）和Merkle根

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一、简介

默克尔树（Merkle tree，MT）又翻译为梅克尔树，是一种哈希二叉树，树的根就是Merkle根。
关于Merkle树老猿推荐大家阅读《Merkle树》这篇文章。

Merkle树和Merkle根在区块链中用于维护账本校验数据的完整性和不可篡改，并在变动时快速定位变化的交易数据。在区块链中常用的hash算法为SHA256，关于SHA算法请参考《深入理解SHA系列加密算法》。

二、思考

为什么说在比较两组相同数据量的数据时，将其构建Merkle树后，两个树的根相同就数据相同呢?

理论上说，每个散列算法，包括安全算法，都会发生碰撞，好的算法是散列尽可能均匀，降低碰撞概率，如果这个概率非常非常小，就可以认为不同的数据散列的结果基本不同。区块链中构建Merkle树时采用的哈希方法是SHA256来，一个哈希位有0和1两个可能值。则每一个独立的哈希值通过位的可能值的数量对于SHA-256，有2的256次方种组合，这是一个庞大的数值。因此在数据一致性处理时就认为根相同的树其对应的数据相同。

三、要点

Merkle树构建过程，是从输入数据开始进行hash，hash的结果作为树的叶子节点，然后相邻两个节点值两两配对作为输入再hash散列得到上层节点，如此一直往上，如果某层的结点数为奇数时，则最后一个节点与自己配对进行散列；
任何叶子节点数据变动都会逐层传递，导致根数据发生变化，根结果的比对可以作为构建树的数据的比对；
反过来，根节点变化，可以根据逐层往下查找变动的节点，直到找到最终的叶子节点；
SHA-256散列函数算法总体比较简单高效，可以保证处理过程的高效性。

正是由于这些特点，Merkle树有多种用途：

可以用于确保数据完整性的校验
可以快速比较大量数据（将两组相同数据量的数据排序后，构建Merkle树，如果两个树的根相同，则两组数据是相同的）
散列计算非常快速，可以带来完整性保障校验和数据比对计算性能的优势
可以快速定位修改
可以作为零知识证明 (zero-knowledge proof)使用来证明交易发生过但无需提供交易数据，具体请参考《Merkle树与SPV验证》、《Merkle树和SPV机制》）。

因此Merkle树和Merkle根才被区块链用于保障交易的完整性和防篡改。

更多关于区块链的内容请见老猿专栏《零基础学区块链》或《零基础学区块链专栏文章目录》。

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