区块链技术基础—Merkel树

哈希算法

哈希算法是一种重要的计算机算法，可以将任意长度的二进制值串以不可逆的方式转化为较短的固定长度二进制值串，这个映射后的值称为哈希值。

一个优秀的哈希算法需要满以下特点：

1. 逆向困难：从哈希值难以逆推出原始明文；
2. 输入敏感：原始数据的任何修改都会导致最后得到的哈希值大不相同；
3. 冲突概率小：两端不同内容的明文，产生相同哈希值的概率非常小。
4. 计算高效：可以在有限时间的时间和资源下快速计算出明文对应的哈希值。

区块链通过对一个交易区块中的交易信息进行哈希运算，得到的哈希值能够唯一而准确地标识一个区块，参与记账的节点计算出的哈希值没有变化也就意味着区块中的信息没有被篡改。

基于此，哈希算法可以说是保证区块链不可篡改性的基石。

常见算法：
目前常见的哈希算法包括MD5和SHA系统算法。

Merkel树

默克尔树（Merkle tree，MT）是一种哈希二叉树，1979年由Ralph Merkle发明。与标准二叉树一样，由一组叶节点，一组中间节点和一个根节点构成。叶节点包含存储数据或其哈希值，中间节点是其两个子节点内容的哈希值，最上层的根节点同样也是由它的两个子节点内容的哈希值组成。如图：

以图中树为例，叶节点HA,HB,HC和HD分别存储了交易A,B,C,D进行hash运算之后得到的哈希值；中间节点HAB,HCD则各存储了其左右两个子节点经过hash运行后的哈希值；同理，最上层的根节点（Merkel树根）存储了其左右子节点HAB和HCD经过hash运算后得到的哈希值，该值就是这颗Merkel树的根哈希。

Merkel树逐层记录哈希值的特点，使得底层数据的任何变动，都会传递到其父节点，一层层的沿着路径一直到树根。这意味着根哈希代表了对底层所有数据的“数据摘要”。

但是根据上述哈希算法的特点，我们知道数据摘要是哈希算法最重要的一个用途。
那么直接对区块中的所有交易进行一次哈希运算hash(A+B+C+D)，同样可以保证区块中的所有交易的完整性。为什么还需要Merkel树呢？这就不得不提到Merkel树两个重要的特性：

1. 快速定位修改：如果交易B的数据被篡改，会影响到HB,HAB和Root(HABCD)。一旦发现根节点Root的哈希值发生变化，沿着Root -> HAB -> HB 最多通过O(lgn)时间即可快速定位到实际发生改变的交易B。

2. 零知识证明：它指的是证明者能够在不向验证者提供任何有用的信息的情况下，使验证者相信某个论断是正确的。例如如何证明某个区块中包含交易B？只需要构造如图所示的Merkel树，公布HA，HCD和Root(HABCD)。交易B的拥有者通过验证生成的Root是否与公布的一致，即可证明交易B是否被包含在该区块中，整个过程无需知道其他交易的真实内容。

在区块链中，每个区块都有一颗Merkel树，叶节点保存了打包在区块中交易的哈希值，层层递归之后得到Merkel树根值。Merkel树根值被保存在区块头中，用于总结并快速校验区块中所有交易数据

除此之外，区块头中父区块哈希值，使得每个区块都可以找到其前一个节点，这样一直倒退就形成了一条完整的区块链。