区块链- Merkle树

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下图能够看出，区块是有区块头和区块体构成（http://www.javashuo.com/article/p-tmbvcsom-ee.html）， 每一个区块都包含了产生于该区块的全部交易，且以Merkle树表示。

Merkle树是一种哈希二叉树，它是一种用做快速概括和校验大规模数据完整性的数据结构。这种二叉树包含加密哈希值。术语“树”在计算机学科中常被用来描述一种具备分支的数据结构。

在比特币网络中，Merkle树被用来概括一个区块中的全部交易，同时生成整个交易集合的数字指纹，且提供了一种校验区块是否存在某交易的高效途径。

生成一棵完整的Merkle树须要递归地对哈希节点对进行哈希，并将新生成的哈希节点插入到Merkle树中，直到只剩一个哈希节点，该节点就是Merkle 树的根。在比特币的 Merkle树中两次使用到了SHA256算法，所以其加密哈希算法也被称为 double-SHA256。

当 N 个数据元素通过加密后插入 Merkle 树时，你至多计算 2*log~2~(N) 次就能检查出任意某数据元素是否在该树中，这使得该数据结构很是高效。

Merkle树是自底向上构建的。在以下的例子中，咱们从 A、B、C、D 四个构成 Merkle 树树叶的交易开始。

全部的交易都并不存储在Merkle树（储存在区块体中）中，而是将数据哈希化，而后将哈希值存储至相应的叶子节点。这些叶子节点分别是 H~A~、H~B~、H~C~和 H~D~：

                                HA=SHA256(SHA256(TransactionA))

将相邻两个叶子节点的哈希值串联在一块儿进行哈希，这对叶子节点随后被概括为父节点。 例如，为了建立父节点 H~AB~，子节点A和子节点B的两个32字节的哈希值将被串联成64字节的字符串。随后将字符串进行两次哈希来产生父节点的哈希值:

                               HAB=SHA256(SHA256(H~A~+H~B~))

继续相似的操做直到只剩下顶部的一个节点，即 Merkle 根。产生的 32 字节哈希值存储在区块头，同时概括了四个交易的全部数据。下图展现了如何经过成对节点的哈希值计算Merkle树的根。

由于Merkle树是二叉树，因此它须要偶数个叶子节点。若是仅有奇数个交易须要概括，那最后的交易就会被复制一份以构成偶数个叶子节点，这种偶数个叶子节点的树也被称为平衡树。以下图C 节点被复制了一份。

由四个交易构造Merkle树的方法一样适用于从任意交易数量构造Merkle树。在比特币中，在单个区块中有成百上千的交易是很是广泛的，这些交易都会采用一样的方法概括起来，产生一个仅仅32字节的数据做为Merkle根。在下图中你会看见一个从 16个交易造成的树。

须要注意的是，尽管图中的根看起来比全部叶子节点都大，但实际上它们都是32字节的相同大小。不管区块中有一个交 易或者有十万个交易，Merkle根总会把全部交易概括为32字节。

为了证实区块中存在某个特定的交易，一个节点只须要计算log~2~(N)个32字节的哈希值，造成一条从特定交易到树根的认证路径或者Merkle路径便可。

随着交易数量的急剧增长，这样的计算量就显得异常重要，由于相对于交易数量的增加， 以基底为2的交易数量的对数的增加会缓慢许多。这使得比特币节点可以高效地产生一条10或者12个哈希值（320~384 字节）的路径，来证实了在一个巨量字 节大小的区块中上千交易中的某笔交易的存在。

在下图中，一个节点可以经过生成一条仅有4个32字节哈希值长度（总128字节）的Merkle路径，来证实区块中存在一笔交易K。

该路径有4个哈希值（在图中由蓝色标注）H~L~、H~IJ~、H~MNOP~和 H~ABCDEFGH~。由这4个哈希值产生的认证路径，再经过计算另外四对哈希值H~KL~、H~IJKL~、H~IJKLMNOP~ 和 Merkle 树根（在图中由虚线标注），任何节点都能证实 H~K~（在图中由绿色标注）包含在 Merkle 根中。