[区块链] 密码学——Merkle 树

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  在计算机领域,Merkle树大多用来进行全版性验证处置。在处置全版性验证的应用场景中,很糙是在分布式环境下进行然后的验证时,Merkle树会大大减少数据的传输量以及计算的比较复杂度。

  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1个多多 Merkle哈希树,节点A的值前要通过节点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,这类 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,为了检验数据的全版性,只前要验证A、B端上所构造的Merkle树的根节点是是不是一致即可。若一致,表示数据在传输过程中不到处在改变。若不一致,说明数据在传输过程中被修改。或者 通过Merkle树很容易定位找到被篡改的节点。定位的时间比较复杂度为O(log(n))。

  比特币的轻量级节点所采用的SPV验证而是我利用Merkle树这类 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树使得用户能不到通过从区块头得到的Merkle树根和别的用户所提供的里面哈希值列表去验证某个交易是是不是中有 在区块中。提供里面哈希值的用户不需要说需而是我可信的,机会伪造区块头的代价很高,而里面哈希值机会伪造语录会导致 验证失败。

  通常,加密的hash最好的法律方式像SHA-2和MD5用来做Hash。但机会仅仅处置数据都有蓄意的损坏或篡改,能不到改用这类 安全性低但传输下行速率 高的校验和算法,如CRC。

  Second Preimage Attack: Merkle tree的树根不需要说表示树的深度1,这机会会导致 second-preimage attack,即攻击者创建1个多多 具有相同Merkle树根的虚假文档。1个多多 简单的处置最好的法律方式在Certificate Transparency中定义:当计算叶节点的hash时,在hash数据前加0x00。当计算内控 节点是,在前面加0x01。另外这类 实现限制hash tree的根,通过在hash值前面加深度1前缀。或者 ,前缀每一步会减少,不到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1个多多 hash块串联,或者 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:(深蓝色线)重复step2,生成Merkle Tree Root

  易得,创建Merkle Tree是O(n)比较复杂度(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,大伙儿假设有A和B两台机器,A前要与B相同目录下有8个文件,文件分别是f1 f2 f3 ....f8。这类 然后大伙儿就能不到通过Merkle Tree来进行快速比较。假设大伙儿在文件创建的然后每个机器都构建了1个多多 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),也而是我其子节点node7 node8的值得HASH。而是我然后表示1个多多 层级运算关系。root节点的value真是是所有叶子节点的value的唯一特征。

  或者我我A上的文件5与B上的不一样。大伙儿为什么在么在在么在通过1个多多 机器的merkle treee信息找到不相同的文件? 这类 比较检索过程如下:

  Step1. 首先比较v0是是不是相同,机会不同,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。

  以上过程的理论比较复杂度是Log(N)。 

  3. 更新,插入和删除

  真是网上有而是关于Merkle Tree的资料,但大每段不到涉及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,有五种树特征的操作肯定不仅包括查找,也包括更新、插入和删除的啊。然后查到风之舞555的总结的文章,少有感悟,下面引用风之舞555对该每段讲述:

  对于Merkle Tree数据块的更新操作真是是很简单的,更新完数据块,或者 接着更新其到树根路径上的Hash值就能不到了,然后不需要改变Merkle Tree的特征。或者 ,插入和删除操作肯定会改变Merkle Tree的特征,如下图,有五种插入操作是然后的:

  插入数据块0后(考虑数据块的位置),Merkle Tree的特征是然后的:

  而有的同学在考虑有五种插入的算法,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,插入数据后的树不到孤儿,或者 机会有孤儿,不到孤儿是最后1个多多 数据块
  • 数据块的顺序保持一致
  • 插入后的Merkle Tree保持平衡

  或者 里面的插入结果就会变成然后:

  而是,Merkle Tree的插入和删除操作真是是1个多多 工程上的问题报告 ,不同问题报告 会有不同的插入最好的法律方式。机会要确保树是平衡的机会是树高是log(n)的,能不到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。哪有2个平衡二叉树的更新模式能不到在O(lgn)时间内完成插入操作,或者 能保证树高是O(lgn)的。不到很容易能不到看出更新所有的Merkle Hash能不到在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前要更新O(lgn)个节点)。机会仔细分析语录,更新所有的hash实际能不到不到在O(lgn)时间内完成,机会要改变的所有节点都有相关联的,即大伙儿要都有都有从某个叶节点到树根的一根绳子 路径上,机会这类 情况报告相近。

  实际上Merkle Tree的特征(是是不是平衡,树高限制有2个)在大多数应用中不需要说重要,或者 保持数据块的顺序也在大多数应用中而是我前要。或者 ,能不到根据具体应用的情况报告,设计这类 人的插入和删除操作。1个多多 通用的Merkle Tree插入删除操作是不到意义的。


拓展知识:

  Hash List 与 Merkle tree 有哪有2个异同?

       娓娓道来~~~~~~~

  网络传输数据的然后,A收到B的传过来的文件,前要确认收到的文件有不到损坏。怎么处置?

  :有有五种最好的法律方式是B在传文件然后先把文件的hash结果给A,A收到文件再计算一次哈希或者 和收到的哈希比较就知道文件是是不是损坏。

  或者 当文件很大的然后,往往前要把文件拆分而是的数据块其他人传输,这类 然后就前要知道每个数据块的哈希值。为什么在么在在么在办呢?

  :这类 情况报告,能不到在下载数据然后先下载一份哈希列表(hash list),这类 列表每一项对应1个多多 数据块的哈希值。对这类 hash list拼接能不到不到计算1个多多 根hash。实际应用中,大伙儿或者我确保从1个多多 可信的渠道获取正确的根hash,就能不到确保下载正确的文件。

  或者 基于hash list的方案然后1个多多 问题报告 : 数据块而是的然后,往往遍历所有数据块的Hash List代价比较大。

  有不到有五种最好的法律方式能不到通过每段Hash就能校验整个文件的全版性呢?

  :答案是肯定的!Merkle Tree 就能做到!

  Merkle Tree和Hash List的主要区别是,能不到直接下载并立即验证Merkle Tree的1个多多 分支。机会能不到将文件切分成小的数据块,然后机会有一块数据损坏,仅仅重新下载这类 数据块就行了。机会文件非常大,不到Merkle tree和Hash list都很大,或者 Merkle tree能不到一次下载1个多多 分支,或者 立即验证这类 分支,机会分支验证通过,就能不到下载数据了。而Hash list不到下载整个hash list不需要 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