[区块链] 密码学——Merkle 树

  • 时间:
  • 浏览:0
  • 来源:大发uu快3_uu快3平台客服_大发uu快3平台客服

  在计算机领域,Merkle树大多用来进行完整验证处里。在处里完整验证的应用场景中,怪怪的是在分布式环境下进行全都的验证时,Merkle树会大大减少数据的传输量以及计算的多样化度。

  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。

  如下图所示为有一十个 Merkle哈希树,节点A的值都还里能 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,相似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,为了检验数据的完整,只都还里能 验证A、B端上所构造的Merkle树的根节点有无 一致即可。若一致,表示数据在传输过程中没办法 所处改变。若不一致,说明数据在传输过程中被修改。要怎样让通过Merkle树很容易定位找到被篡改的节点。定位的时间多样化度为O(log(n))。

  比特币的轻量级节点所采用的SPV验证全都利用Merkle树这种 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树使得用户还都还里能 通过从区块头得到的Merkle树根和别的用户所提供的上方哈希值列表去验证某个交易有无 富含在区块中。提供上方哈希值的用户无须需全都可信的,将会伪造区块头的代价很高,而上方哈希值将会伪造说说会原困验证失败。

  通常,加密的hash最好的最好的措施像SHA-2和MD5用来做Hash。但将会仅仅处里数据不会蓄意的损坏或篡改,还都还里能 改用这种 安全性低但速度高的校验和算法,如CRC。

  Second Preimage Attack: Merkle tree的树根无须表示树的深度1,这将会会原困second-preimage attack,即攻击者创建有一十个 具有相同Merkle树根的虚假文档。有一十个 简单的处里最好的最好的措施在Certificate Transparency中定义:当计算叶节点的hash时,在hash数据前加0x00。当计算内部管理节点是,在前面加0x01。另外这种 实现限制hash tree的根,通过在hash值前面加深度1前缀。要怎样让,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)相邻有一十个 hash块串联,要怎样让做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:(浅绿色线)重复step2,生成Merkle Tree Root

  易得,创建Merkle Tree是O(n)多样化度(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,我们我们我们我们我们我们我们我们我们我们我们我们 儿假设有A和B两台机器,A都还里能 与B相同目录下有8个文件,文件分别是f1 f2 f3 ....f8。这种 如果我们我们我们我们我们我们我们我们我们我们我们我们 儿就还都还里能 通过Merkle Tree来进行快速比较。假设我们我们我们我们我们我们我们我们我们我们我们我们 儿在文件创建的如果每个机器都构建了有一十个 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),也全都其子节点node7 node8的值得HASH。全都全都表示有一十个 层级运算关系。root节点的value随便说说是所有叶子节点的value的唯一特性。

  假如有一天A上的文件5与B上的不一样。我们我们我们我们我们我们我们我们我们我们我们我们 儿为啥通过有一十个 机器的merkle treee信息找到不相同的文件? 这种 比较检索过程如下:

  Step1. 首先比较v0有无 相同,将会不同,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。

  以上过程的理论多样化度是Log(N)。 

  3. 更新,插入和删除

  随便说说网上有全都关于Merkle Tree的资料,但大要素没办法 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,并都还里能 树特性的操作肯定不仅包括查找,也包括更新、插入和删除的啊。无需查到风之舞555的总结的文章,少有感悟,下面引用风之舞555对该要素讲述:

  对于Merkle Tree数据块的更新操作随便说说是很简单的,更新完数据块,要怎样让接着更新其到树根路径上的Hash值就还都还里能 了,全都无需改变Merkle Tree的特性。要怎样让,插入和删除操作肯定会改变Merkle Tree的特性,如下图,并都还里能 插入操作是全都的:

  插入数据块0后(考虑数据块的位置),Merkle Tree的特性是全都的:

  而有的同学在考虑并都还里能 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,插入数据后的树没办法 孤儿,要怎样让将会有孤儿,没办法 孤儿是最后有一十个 数据块
  • 数据块的顺序保持一致
  • 插入后的Merkle Tree保持平衡

  要怎样让上方的插入结果就会变成全都:

  全都,Merkle Tree的插入和删除操作随便说说是有一十个 工程上的问題,不同问題会有不同的插入最好的最好的措施。将会要确保树是平衡的将会是树高是log(n)的,还都还里能 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。什么平衡二叉树的更新模式还都还里能 在O(lgn)时间内完成插入操作,然还都还里能 保证树高是O(lgn)的。没办法 很容易还都还里能 看出更新所有的Merkle Hash还都还里能 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都还里能 更新O(lgn)个节点)。将会仔细分析说说,更新所有的hash实际上还都还里能 在O(lgn)时间内完成,将会要改变的所有节点不会相关联的,即我们我们我们我们我们我们我们我们我们我们我们我们 要不会不会从某个叶节点到树根的根小路径上,将会这种 状况相近。

  实际上Merkle Tree的特性(有无 平衡,树高限制几次)在大多数应用中无须重要,要怎样让保持数据块的顺序也在大多数应用中全都都还里能 。要怎样让,还都还里能 根据具体应用的状况,设计当事人的插入和删除操作。有一十个 通用的Merkle Tree插入删除操作是没办法 意义的。


拓展知识:

  Hash List 与 Merkle tree 有什么异同?

       娓娓道来~~~~~~~

  网络传输数据的如果,A收到B的传过来的文件,都还里能 确认收到的文件有没办法 损坏。要怎样处里?

  :有并都还里能 最好的最好的措施是B在传文件如果先把文件的hash结果给A,A收到文件再计算一次哈希要怎样让和收到的哈希比较就知道文件有无 损坏。

  要怎样让当文件很大的如果,往往都还里能 把文件拆分全都的数据块每每各人传输,这种 如果就都还里能 知道每个数据块的哈希值。为啥办呢?

  :这种 状况,还都还里能 在下载数据如果先下载一份哈希列表(hash list),这种 列表每一项对应有一十个 数据块的哈希值。对这种 hash list拼接后还都还里能 计算有一十个 根hash。实际应用中,我们我们我们我们我们我们我们我们我们我们我们我们 儿假如有一天确保从有一十个 可信的渠道获取正确的根hash,就还都还里能 确保下载正确的文件。

  要怎样让基于hash list的方案全都一十个 问題: 数据块全都的如果,往往遍历所有数据块的Hash List代价比较大。

  有没办法 并都还里能 最好的最好的措施还都还里能 通过要素Hash就能校验整个文件的完整呢?

  :答案是肯定的!Merkle Tree 就能做到!

  Merkle Tree和Hash List的主要区别是,还都还里能 直接下载并立即验证Merkle Tree的有一十个 分支。将会还都还里能 将文件切分成小的数据块,全都将会有一块数据损坏,仅仅重新下载这种 数据块就行了。将会文件非常大,没办法 Merkle tree和Hash list都很大,要怎样让Merkle tree还都还里能 一次下载有一十个 分支,要怎样让立即验证这种 分支,将会分支验证通过,就还都还里能 下载数据了。而Hash list不到下载整个hash list都还里能验证。


【时间仓促,如有错误,欢迎指正! ||   欢迎留下您的评语!  我们我们我们我们我们我们我们我们我们我们我们我们 儿一起去探讨、学习区块链!】

【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