[区块链] 密码学——Merkle 树

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  在计算机领域,Merkle树大多用来进行完整性性验证处置。在处置完整性性验证的应用场景中,怪怪的是在分布式环境下进行另两个的验证时,Merkle树会大大减少数据的传输量以及计算的多样化度。

  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。

  如下图所示为另两个Merkle哈希树,节点A的值需要通过节点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,类似于于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,为了检验数据的完整性性,只需要验证A、B端上所构造的Merkle树的根节点有无一致即可。若一致,表示数据在传输过程中没人存在改变。若不一致,说明数据在传输过程中被修改。为何让 通过Merkle树很容易定位找到被篡改的节点。定位的时间多样化度为O(log(n))。

  比特币的轻量级节点所采用的SPV验证好多好多 我利用Merkle树类似于于优点。

  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树使得用户能只能通过从区块头得到的Merkle树根和别的用户所提供的底下哈希值列表去验证某个交易有无中含在区块中。提供底下哈希值的用户从不需好多好多 我可信的,将会伪造区块头的代价很高,而底下哈希值将会伪造一句话会原因分析分析验证失败。

  通常,加密的hash方式像SHA-2和MD5用来做Hash。但将会仅仅处置数据还会 蓄意的损坏或篡改,能只能改用许多安全性低但带宽高的校验和算法,如CRC。

  Second Preimage Attack: Merkle tree的树根从不表示树的宽度,这将会会原因分析分析second-preimage attack,即攻击者创建另两个具有相同Merkle树根的虚假文档。另两个简单的处置方式在Certificate Transparency中定义:当计算叶节点的hash时,在hash数据前加0x00。当计算內部节点是,在前面加0x01。另外许多实现限制hash tree的根,通过在hash值前面加宽度前缀。为何让 ,前缀每一步会减少,只能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)相邻另两个hash块串联,为何让 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:(蓝色线)重复step2,生成Merkle Tree Root

  易得,创建Merkle Tree是O(n)多样化度(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,亲戚亲戚朋友假设有A和B两台机器,A需要与B相同目录下有8个文件,文件分别是f1 f2 f3 ....f8。类似于于另两个亲戚亲戚朋友就能只能通过Merkle Tree来进行快速比较。假设亲戚亲戚朋友在文件创建的另两个每个机器都构建了另两个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),也好多好多 我其子节点node7 node8的值得HASH。好多好多 我另两个表示另两个层级运算关系。root节点的value嘴笨 是所有叶子节点的value的唯一特性。

  倘若A上的文件5与B上的不一样。亲戚亲戚朋友为何通过另两个机器的merkle treee信息找到不相同的文件? 类似于于比较检索过程如下:

  Step1. 首先比较v0有无相同,将会不同,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。

  以上过程的理论多样化度是Log(N)。 

  3. 更新,插入和删除

  嘴笨 网上有好多好多 关于Merkle Tree的资料,但大主次没人涉及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,类似于于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。还会查到风之舞555的总结的文章,少有感悟,下面引用风之舞555对该主次讲述:

  对于Merkle Tree数据块的更新操作嘴笨 是很简单的,更新完数据块,为何让 接着更新其到树根路径上的Hash值就能只能了,另两个无需改变Merkle Tree的特性。为何让 ,插入和删除操作肯定会改变Merkle Tree的特性,如下图,类似于于插入操作是另两个的:

  插入数据块0后(考虑数据块的位置),Merkle Tree的特性是另两个的:

  而有的同学在考虑类似于于插入的算法,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,插入数据后的树没人孤儿,为何让 将会有孤儿,没人孤儿是最后另两个数据块
  • 数据块的顺序保持一致
  • 插入后的Merkle Tree保持平衡

  为何让 底下的插入结果就会变成另两个:

  好多好多 ,Merkle Tree的插入和删除操作嘴笨 是另两个工程上的现象,不同现象会有不同的插入方式。将会要确保树是平衡的将会是树高是log(n)的,能只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。什么平衡二叉树的更新模式能只能在O(lgn)时间内完成插入操作,为何让 能保证树高是O(lgn)的。没人很容易能只能看出更新所有的Merkle Hash能只能在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需要更新O(lgn)个节点)。将会仔细分析一句话,更新所有的hash实际能只能只能在O(lgn)时间内完成,将会要改变的所有节点还会 相关联的,即亲戚亲戚朋友要还会 还会 从某个叶节点到树根的每根路径上,将会类似于于情況相近。

  实际上Merkle Tree的特性(有无平衡,树高限制有几个)在大多数应用中从不重要,为何让 保持数据块的顺序也在大多数应用中好多好多 我需要。为何让 ,能只能根据具体应用的情況,设计每每各自 的插入和删除操作。另两个通用的Merkle Tree插入删除操作是没人意义的。


拓展知识:

  Hash List 与 Merkle tree 有什么异同?

       娓娓道来~~~~~~~

  网络传输数据的另两个,A收到B的传过来的文件,需要确认收到的文件有没人损坏。如何处置?

  :有类似于于方式是B在传文件另两个先把文件的hash结果给A,A收到文件再计算一次哈希为何让 和收到的哈希比较就知道文件有无损坏。

  为何让 当文件很大的另两个,往往需要把文件拆分好多好多 的数据块每每各自 传输,类似于于另两个就需要知道每个数据块的哈希值。为何办呢?

  :类似于于情況,能只能在下载数据另两个先下载一份哈希列表(hash list),类似于于列表每一项对应另两个数据块的哈希值。对类似于于hash list拼接能只能只能计算另两个根hash。实际应用中,亲戚亲戚朋友倘若确保从另两个可信的渠道获取正确的根hash,就能只能确保下载正确的文件。

  为何让 基于hash list的方案另两个另两个现象: 数据块好多好多 的另两个,往往遍历所有数据块的Hash List代价比较大。

  有没人类似于于方式能只能通过主次Hash就能校验整个文件的完整性性呢?

  :答案是肯定的!Merkle Tree 就能做到!

  Merkle Tree和Hash List的主要区别是,能只能直接下载并立即验证Merkle Tree的另两个分支。将会能只能将文件切分成小的数据块,另两个将会有一块数据损坏,仅仅重新下载类似于于数据块就行了。将会文件非常大,没人Merkle tree和Hash list都很大,为何让 Merkle tree能只能一次下载另两个分支,为何让 立即验证类似于于分支,将会分支验证通过,就能只能下载数据了。而Hash list只能下载整个hash list才能验证。


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【转载请注明出处!http://www.cnblogs.com/X-knight/


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