Merkle树，也称为二叉哈希树，是一种用于计算机科学应用中的数据结构。在区块链技术的背景下，Merkle树用于更高效和安全地编码区块链数据。^[1]

概述

在比特币的区块链中，一个区块的交易通过一个算法生成哈希值，这是一个数字和字母的字符串，可以用来验证给定的数据集与原始交易集是否相同。每笔交易都被哈希，然后每对交易被连接并一起哈希，以此类推，直到整个区块只有一个哈希值。这种结构类似于一棵树，底行的哈希值被称为“叶子”，中间的哈希值被称为“分支”，顶部的哈希值被称为“根”。

给定区块的Merkle根存储在头部。Merkle树允许用户在不下载整个区块链的情况下验证特定的交易。例如，如果有人想验证一个特定的交易是否包含在一个区块中，他们可以查询网络关于该交易的哈希值，网络将返回必要的哈希值来验证一切都已考虑在内。^[1][4][7]

Merkle树的主要目的是验证数据的完整性。Merkle树对于确保区块链技术的安全性和效率至关重要。在区块链技术的背景下，它有几个重要的用途：

• 高效安全的数据验证： Merkle树允许对大型数据集进行高效和安全的验证。这在区块链技术中至关重要，因为数据量可能非常大并且不断增长。
• 交易验证： 例如，在比特币的区块链中，Merkle树允许用户在不下载整个区块链的情况下验证特定的交易。这对于轻量级的SPV（简化支付验证）客户端特别有用，它们只下载区块链的一个子集来验证交易。
• 数据完整性和一致性： 存储在区块头中的Merkle根有助于确保区块中所有交易的完整性和一致性。如果任何单个交易发生变化，都将导致不同的Merkle根。
• 防止双重支付： 通过确保每个交易区块都引用前一个区块，Merkle树有助于防止双重支付，这是一种数字现金方案中潜在的缺陷，即用户可以多次花费同一笔钱。

历史

Merkle树的概念最初由Ralph Merkle在1987年发表的一篇题为“基于传统加密功能的数字签名”的论文中提出。他还发明了密码哈希。Merkle树背后的技术于1989年获得专利。

在比特币发明之前，密码学被用于软件开发中以保护数据安全。在以公钥密码学闻名的Merkle引入Merkle树用于验证对等网络中的数据完整性之后，他引入了哈希的概念，作为一种新的验证行为模式。Merkle树现在被用于各种应用中，包括对等网络、分布式系统和区块链技术。它们是比特币和以太坊等加密货币运行的基础。^[1][5][9]

Merkle树的类型

根据每个父节点可以拥有的子节点数量，有不同类型的Merkle树。一些例子是：^[8]

• 二叉Merkle树： 这些是最简单和最常见的Merkle树类型，其中每个父节点只有两个子节点。它们用于有效地总结和验证大型数据集，例如文件或交易。
• Patricia树： 这是一种更复杂的Merkle树类型，用于以太坊中处理智能合约的交易。Patricia树每个父节点可以有更多的子节点，使其适用于更复杂的操作。

用例

Merkle树有广泛的应用，特别是在需要数据完整性检查的系统中。以下是一些值得注意的应用，Merkle树的应用也扩展到许多其他领域：^[2][7][10]

• 加密货币： Merkle树是比特币和以太坊等加密货币运行的基础。它们用于有效地存储和验证区块中的交易。
• 分布式系统： 诸如对等网络之类的分布式系统使用Merkle树来确保从其他对等方接收的数据块是完整且未更改的。
• 文件系统： 诸如星际文件系统（IPFS）、Btrfs和ZFS之类的文件系统使用Merkle树来防止数据降级。
• 数据库： 诸如Dynamo DB和Apache Cassandra之类的可扩展数据库使用Merkle树。
• 证书透明度： 证书颁发机构使用Merkle树来验证证书透明度。
• 数字签名： Merkle树用于数字签名。
• 数据完整性检查： 任何需要检查不一致性的系统都可以使用Merkle树。
• 股票交易： 需要跟踪每日股票交易活动的应用程序是Merkle树可能有用处的一个完美例子。

例子

Merkle树的一些实现示例是：^[7]

• IPFS： IPFS是一种用于在分布式文件系统中存储和共享文件的对等协议。IPFS使用Merkle树将文件和目录表示为Merkle DAG（有向无环图）。DAG中的每个节点都由唯一的哈希值标识，并且与其他节点的链接被编码为数据的一部分。这允许跨网络高效地进行数据去重、验证和同步。
• ZFS： ZFS是一种文件系统，提供诸如数据完整性、压缩、加密和快照之类的功能。ZFS使用Merkle树来存储文件系统的元数据，例如文件名、大小、权限和校验和。每个数据块都有一个校验和，该校验和存储在其父块中，形成一棵以根块结尾的树。这允许检测和纠正数据损坏，以及验证快照和备份的一致性。
• 以太坊： 以太坊是一个支持智能合约和去中心化应用程序的区块链平台。以太坊使用Merkle树来存储网络的状态，例如帐户、余额、交易和合约代码。以太坊使用Merkle树的一种变体，称为Patricia树，每个父节点可以有两个以上的子节点，并且可以有效地存储键值对。Patricia树能够快速证明数据的存在和不存在，以及轻客户端协议。