InterValue使用Merkle tree来验证区块是否被篡改

1. 梅克尔树 / Merkle Tree

通常来讲，首先我们对数据块进行hash化（例如：使用sha256就会使不同大小的块变为256定长），而后对相邻的两个hash结果进行拼接，再进行hash，这样操作直到只有一个顶层hash。当然，有一种特殊情况：如果数据块数量为奇数(如果图上还有L5的话)，就可以增加一个L5来进行计算(图上就变为L1,L2,L3,L4,L5,L5进行配对)。

Merkle Tree现有的理论比较成熟，机制原理也较容易理解。问题在于它的应用场景的细节没有相关说明。另外由Java语言实现的，成熟的商业开源方案还处于凤毛麟角的状况。

2. 业务需求

最近，InterValue研发团队在开发一个快速同步功能(fast sync)，需要把共识节点的海量区块快速同步到新加入的节点，这里面有一个关键的任务是：需要同步区块的节点能主动发现其中有问题的区块，发现后只需要重新下载有问题的区块（例如，如果有100个区块共同下载到同步节点，其中2个块有问题，只需要重新下载有问题的2个块，不需要全部重新下载,提高下载效率）,并且下载的区块验证数据大小不能呈指数级上升。

3. InterValue用Java语言实现标准的Merkle Tree

源代码已经发布在：

https://github.com/intervalue/intervalue-2.0.0-mainnet-rtm/tree/master/localfullnode2/src/main/java/one/inve/localfullnode2/utilities/merkle

4. Merkle Tree怎样应用到InterValue节点校验数据区块中

有几个关键概念需要提前知晓：

NodeContent：区块或者文件块被视为NodeContent,它提供两个关键功能：产生hash和比较功能。

FamedRootHash：由权威节点计算自己的merkle tree的hash根。

MerklePath：它由hash数组和index数组(它指定同位置hash里值是左值“l”还是右值“r”)组成。上图为例，L1的hash数组为{“hash0-1”，“hash1”}，L1的index数组为{“r”，“r”}。

CalculatedRootHash：根据NodeContent和MerklePath计算出来的hash根，它会被用于与famedRootHash做比较。

快速同步验证流程为：

5. 过程伪码

public void validateSyncBlock() {

INodeContent[] blocks = buildBlocks();

INodeContent[] tamperedBlocks = buildTamperedBlocks();

MerkleTree mt = MerkleTree.create(blocks);

Node root = mt.getRoot();

byte[] famedRootHash = root.getHash();// which is provided by 3rd famed host

MerklePath mp = mt.getMerklePath(blocks[2]);

INodeContent tamperedBlock = tamperedBlocks[2];

INodeContent integralBlock = blocks[2];

// ignore these processes:

// .......serialize (famedRootHash,mp,tamperedBlock,integralBlock)

// ..........................................network transmission

// .....deserialize (famedRootHash,mp,tamperedBlock,integralBlock)

if (!mp.validate(tamperedBlock, famedRootHash)) {

System.out.println("bad news 1: tampered item");// this would be displayed.

}

if (!mp.validate(integralBlock, famedRootHash)) {

System.out.println("bad news 2: tampered item");// this wouldn't be displayed.

}

}

protected INodeContent[] buildBlocks() {

INodeContent[] blocks = new INodeContent[3];

blocks[0] = new Block("hello", 1);

blocks[1] = new Block("blockchain", 2);

blocks[2] = new Block("world", 3);

return blocks;

}

protected INodeContent[] buildTamperedBlocks() {

INodeContent[] blocks = new INodeContent[3];

blocks[0] = new Block("hello", 1);

blocks[1] = new Block("blockchain", 2);

blocks[2] = new Block("worlds", 3);// tampered item

return blocks;

}

6. 作者简介

Francis.Deng（[email protected]）,InterValue区块链架构师和项目源码的主要贡献者之一。