eos源码赏析（二十三）：默克尔树在EOS中的应用（上）

前面文章中在分析push_transactioneos源码赏析（二十）：EOS智能合约之push_transaction的天龙八“步”以及区块签名eos源码赏析（二十一）：EOS智能合约之区块签名的天龙八“步”的时候都提到了默克尔树，受限于篇幅未做具体分析。今天我们来谈谈默克尔树在eos中的应用。拟分为上下两篇，上篇主要分为以下内容：

默克尔树简介

eos中如何构建默克尔树

1、默克尔树简介

关于Merkle树的介绍博客园有位大牛写的很仔细，强烈建议进行阅读。可以参考这里：http://www.cnblogs.com/fengzhiwu/p/5524324.html

由于侧重点不同，我们不再进行一一解释，我们尝试用通俗的语言来解释下如何构建一个Merkle树。读过《笑傲江湖》原著或者看过《笑傲江湖》影视剧的朋友们对华山派应该都不陌生，华山派由于种种原因分成了气宗和剑宗两派，而我们所熟知的“君子剑”岳不群便是气宗的代表人物，而老前辈风清扬是剑宗的代表人物，下面以气宗和剑宗的代表武功来说明如何构建一个默克尔树：

Merkle Tree可以看做Hash List的泛化（Hash List可以看作一种特殊的Merkle Tree，即树高为2的多叉Merkle Tree）。在最底层，和哈希列表一样，我们把数据分成小的数据块，这里我们选取了华山派气宗和剑宗的代表武功紫霞神功、无双无对宁氏一剑、独孤九剑、冲灵剑法（不要问我为什么选这个，就是觉得好听），往上一层我们分别对这四种武功进行一次hash，在eos中也就是使用sha256中的hash转换为64位的数据。但是往上走，并不是直接去运算根哈希，而是把相邻的两个哈希合并成一个字符串，然后运算这个字符串的哈希，例如剑宗中的独孤九剑和冲灵剑法不是直接hash，而是将两者的hash合并成一个字符串再进行hash，在往上依旧如此。这样便形成了华山派的hash值。

那么有的朋友可能会问：玉女十九剑这个武功是剑宗还是气宗分不清怎么办，我们是该把它当成气宗还是剑宗呢？我们可以把它单独拿出来进行hash，也就是最底层的数据块出现奇数的情况下，可以这样进行构建默克尔树：

如果最底层武功数量是奇数，那到最后必然出现一个单身哈希，这种情况就直接对玉女十九剑进行哈希运算，所以也能得到它的子哈希。于是往上推，依然是一样的方式，可以得到数目更少的新一级哈希，最终必然形成一棵倒挂的树，到了树根的这个位置，这一代就剩下一个根哈希了，我们把它叫做 Merkle Root，也就是我们的华山派的hash值。

2、eos中如何构建默克尔树

我们知道在eos中最重要的因素无非区块（block）、事物（transaction）、动作（action），通过阅读源码我们会发现，在每一次transaction执行的过程中都会对transaction和action进行默克尔树的构建，我们来一步步看一下。

当transaction被打包到区块中之后会有一个区块信息的确认，即：finalize_block，我们来看：

 1void finalize_block()
 2   {
 3      //该方法开始对一些资源信息进行确认操作
 4      //我们接下来加了部分日志打印，方便观察对比
 5      std::string strPending = "";
 6      strPending = fc::json::to_string(*pending->_pending_block_state);
 7      dlog("contorller before set action merkle:${state}", ("state", strPending));
 8      set_action_merkle();
 9      strPending = fc::json::to_string(*pending->_pending_block_state);
10      dlog("contorller after set action and before set trx merkle:${state}", ("state", strPending));
11      set_trx_merkle();
12      strPending = fc::json::to_string(*pending->_pending_block_state);
13      dlog("contorller after set trx merkle:${state}", ("state", strPending));
14
15      auto p = pending->_pending_block_state;
16      p->id = p->header.id();
17
18      create_block_summary(p->id);
19
20   } FC_CAPTURE_AND_RETHROW() }

在这里面我们看到了set_action_merkle以及set_trx_merkle对action以及transaction进行默克尔树的构建，继续来看：

 1   void set_action_merkle() {
 2      vector action_digests;
 3       dlog("contorller set_action_merkle size:${size}", ("size", pending->_actions.size()));
 4      action_digests.reserve( pending->_actions.size() );
 5      for( const auto& a : pending->_actions )
 6         action_digests.emplace_back( a.digest() );
 7
 8      pending->_pending_block_state->header.action_mroot = merkle( move(action_digests) );
 9   }
10
11   void set_trx_merkle() {
12      vector trx_digests;
13      const auto& trxs = pending->_pending_block_state->block->transactions;
14       dlog("contorller set_trx_merkle size:${size}", ("size", trxs.size()));
15      trx_digests.reserve( trxs.size() );
16      for( const auto& a : trxs )
17         trx_digests.emplace_back( a.digest() );
18
19      pending->_pending_block_state->header.transaction_mroot = merkle( move(trx_digests) );
20   }

不管是set_action_merkle还是set_trx_merkle最后都调用了Merkle方法，即先获取action或者transaction的摘要信息，然后进行默克尔树的构建，我们来看Merkle函数，在Merkle.cpp中：

 1digest_type merkle(vector ids) {
 2   if( 0 == ids.size() ) { return digest_type(); }
 3
 4   while( ids.size() > 1 ) {
 5      if( ids.size() % 2 )
 6         ids.push_back(ids.back());
 7
 8      for (int i = 0; i < ids.size() / 2; i++) {
 9         ids[i] = digest_type::hash(make_canonical_pair(ids[2 * i], ids[(2 * i) + 1]));
10      }
11
12      ids.resize(ids.size() / 2);
13   }

针对武功个数是奇数还是偶数分别进行了hash，最终形成了默克尔树的构建，我这里以创建用户名为例，根据日志的打印对其进行跟踪对比结果，先执行命令行如下：

1cleos create account eosio merkletest yourpubkey yourpubkey

在构建默克尔树之前和之后的对比结果如下：

 1//构建默克尔树之前
 2    "header": {
 3        "timestamp": "2018-10-10T12:32:30.500",
 4        "producer": "eosio",
 5        "confirmed": 0,
 6        "previous": "0000014735eeda35fd8c2e303ceda4ff8fd5c67fbb032187c75eeb319daec123",
 7        "transaction_mroot": "0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
 8        "action_mroot": "0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
 9        "schedule_version": 0,
10        "header_extensions": [],
11        "producer_signature": "SIG_K1_111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111116uk5ne"
12    }
13//构建默克尔树之后
14"header": {
15        "timestamp": "2018-10-10T12:32:30.500",
16        "producer": "eosio",
17        "confirmed": 0,
18        "previous": "0000014735eeda35fd8c2e303ceda4ff8fd5c67fbb032187c75eeb319daec123",
19        "transaction_mroot": "12399917b8b8a3d7eb05aa58dd87aec2bbbda139e770627332da9e6f5efd7d88",
20        "action_mroot": "2b4c51c20fb35268628e8f2c5171549fa5bcb947079ed82a7f2d38c7481f8c4e",
21        "schedule_version": 0,
22        "header_extensions": [],
23        "producer_signature": "SIG_K1_111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111116uk5ne"
24    }

通过对比可以发现transaction_mroot及action_mroot发生了相应的变化，至此eos中构建默克尔树的流程也已经完成。

本文简单的介绍了默克尔树的基本概念，以《笑傲江湖》华山派为例介绍默克尔树的构建，以及eos中transaction和action的默克尔树的构建，关于默克尔树在eos中的具体使用，我们慢慢再谈。

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