[区块链] 密码学——Merkle 树

  • 时间:
  • 浏览:0

  在计算机领域,Merkle树大多用来进行完全性验证避免。在避免完全性验证的应用场景中,有点硬是在分布式环境下进行另一一有一个 的验证时,Merkle树会大大减少数据的传输量以及计算的复杂化度。

  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。

  如下图所示为一一有一个 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,类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,为了检验数据的完全性,只前要验证A、B端上所构造的Merkle树的根节点是否 一致即可。若一致,表示数据在传输过程中没人 指在改变。若不一致,说明数据在传输过程中被修改。如果通过Merkle树很容易定位找到被篡改的节点。定位的时间复杂化度为O(log(n))。

  比特币的轻量级节点所采用的SPV验证这个 这个 利用Merkle树这个 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树使得用户还前要通过从区块头得到的Merkle树根和别的用户所提供的后面 哈希值列表去验证某个交易是否 涵盖在区块中。提供后面 哈希值的用户不须需这个 这个 可信的,将会伪造区块头的代价很高,而后面 哈希值将会伪造一句话会因为分析验证失败。

  通常,加密的hash最好的措施像SHA-2和MD5用来做Hash。但将会仅仅避免数据是否 蓄意的损坏或篡改,还前要改用这个 安全性低但数率高的校验和算法,如CRC。

  Second Preimage Attack: Merkle tree的树根不须表示树的角度,这将会会因为分析second-preimage attack,即攻击者创建一一有一个 具有相同Merkle树根的虚假文档。一一有一个 简单的避免最好的措施在Certificate Transparency中定义:当计算叶节点的hash时,在hash数据前加0x00。当计算结构节点是,在前面加0x01。另外这个 实现限制hash tree的根,通过在hash值前面加角度前缀。如果,前缀每一步会减少,才能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)相邻一一有一个 hash块串联,如果做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:(蓝绿色线)重复step2,生成Merkle Tree Root

  易得,创建Merkle Tree是O(n)复杂化度(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,朋友假设有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。这个 事先朋友就还前要通过Merkle Tree来进行快速比较。假设朋友在文件创建的事先每个机器都构建了一一有一个 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),也这个 这个 其子节点node7 node8的值得HASH。这个 这个 另一一有一个 表示一一有一个 层级运算关系。root节点的value着实是所有叶子节点的value的唯一形态。

  我希望A上的文件5与B上的不一样。朋友为社 通过一一有一个 机器的merkle treee信息找到不相同的文件? 这个 比较检索过程如下:

  Step1. 首先比较v0是否 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。

  以上过程的理论复杂化度是Log(N)。 

  3. 更新,插入和删除

  着实网上有这个 这个 关于Merkle Tree的资料,但大偏离 没人 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,四种 树形态的操作肯定不仅包括查找,也包括更新、插入和删除的啊。如果查到风之舞555的总结的文章,少有感悟,下面引用风之舞555对该偏离 讲述:

  对于Merkle Tree数据块的更新操作着实是很简单的,更新完数据块,如果接着更新其到树根路径上的Hash值就还前要了,另一一有一个 我过多 改变Merkle Tree的形态。如果,插入和删除操作肯定会改变Merkle Tree的形态,如下图,四种 插入操作是另一一有一个 的:

  插入数据块0后(考虑数据块的位置),Merkle Tree的形态是另一一有一个 的:

  而有的同学在考虑四种 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,插入数据后的树没人 孤儿,如果将会有孤儿,没人 孤儿是最后一一有一个 数据块
  • 数据块的顺序保持一致
  • 插入后的Merkle Tree保持平衡

  如果后面 的插入结果就会变成另一一有一个 :

  这个 这个 ,Merkle Tree的插入和删除操作着实是一一有一个 工程上的那些的间题,不同那些的间题会有不同的插入最好的措施。将会要确保树是平衡的将会是树高是log(n)的,还前要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。那些平衡二叉树的更新模式还前要在O(lgn)时间内完成插入操作,如果来保证树高是O(lgn)的。没人 很容易还前要看出更新所有的Merkle Hash还前要在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)。将会仔细分析一句话,更新所有的hash实际上还前要在O(lgn)时间内完成,将会要改变的所有节点是否 相关联的,即朋友要不是否 从某个叶节点到树根的第一根路径上,将会这个 情況相近。

  实际上Merkle Tree的形态(是否 平衡,树高限制好多个)在大多数应用中不须重要,如果保持数据块的顺序也在大多数应用中这个 这个 前要。如果,还前要根据具体应用的情況,设计人个所有的插入和删除操作。一一有一个 通用的Merkle Tree插入删除操作是没人 意义的。


拓展知识:

  Hash List 与 Merkle tree 有那些异同?

       娓娓道来~~~~~~~

  网络传输数据的事先,A收到B的传过来的文件,前要确认收到的文件有没人 损坏。怎么避免?

  :有四种 最好的措施是B在传文件事先先把文件的hash结果给A,A收到文件再计算一次哈希如果和收到的哈希比较就知道文件是否 损坏。

  如果当文件很大的事先,往往前要把文件拆分这个 这个 的数据块人个所有传输,这个 事先就前要知道每个数据块的哈希值。怎摸办呢?

  :这个 情況,还前要在下载数据事先先下载一份哈希列表(hash list),这个 列表每一项对应一一有一个 数据块的哈希值。对这个 hash list拼接后还前要计算一一有一个 根hash。实际应用中,朋友我希望确保从一一有一个 可信的渠道获取正确的根hash,就还前要确保下载正确的文件。

  如果基于hash list的方案另一一有一个 一一有一个 那些的间题: 数据块这个 这个 的事先,往往遍历所有数据块的Hash List代价比较大。

  有没人 四种 最好的措施还前要通过偏离 Hash就能校验整个文件的完全性呢?

  :答案是肯定的!Merkle Tree 就能做到!

  Merkle Tree和Hash List的主要区别是,还前要直接下载并立即验证Merkle Tree的一一有一个 分支。将会还前要将文件切分成小的数据块,另一一有一个 将会有一块数据损坏,仅仅重新下载这个 数据块就行了。将会文件非常大,没人 Merkle tree和Hash list都很大,如果Merkle tree还前要一次下载一一有一个 分支,如果立即验证这个 分支,将会分支验证通过,就还前要下载数据了。而Hash list才能下载整个hash list才能验证。


【时间仓促,如有错误,欢迎指正! ||   欢迎留下您的评语!  朋友并肩探讨、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