默克尔树(又叫哈希树)是一种典型的二叉树结构,由一个根节点、一组中间节点和一组叶节点组成。默克尔树最早由 Merkle Ralf 在 1980 年提出,曾广泛用于文件系统和 P2P 系统中。
其主要特点为:
进一步地,默克尔树可以推广到多叉树的情形,此时非叶子节点的内容为它所有的孩子节点的内容的哈希值。
默克尔树逐层记录哈希值的特点,让它具有了一些独特的性质。例如,底层数据的任何变动,都会传递到其父节点,一层层沿着路径一直到树根。这意味树根的值实际上代表了对底层所有数据的“数字摘要”。
目前,默克尔树的典型应用场景包括如下几种。
通过构建集合的默克尔树,并提供该元素各级兄弟节点中的 Hash 值,可以不暴露集合完整内容而证明某元素存在。
另外,对于可以进行排序的集合,可以将不存在元素的位置用空值代替,以此构建稀疏默克尔树(Sparse Merkle Tree)。该结构可以证明某个集合中不包括指定元素。
对每组数据排序后构建默克尔树结构。当两个默克尔树根相同时,则意味着所代表的两组数据必然相同。否则,必然不同。
由于 Hash 计算的过程可以十分快速,预处理可以在短时间内完成。利用默克尔树结构能带来巨大的比较性能优势。
以下图为例,基于数据 D0……D3 构造默克尔树,如果 D1 中数据被修改,会影响到 N1,N4 和 Root。
因此,一旦发现某个节点如 Root 的数值发生变化,沿着 Root --> N4 --> N1,最多通过 O(lgN) 时间即可快速定位到实际发生改变的数据块 D1。
仍以上图为例,如何向他人证明拥有某个数据 D0 而不暴露其它信息。挑战者提供随机数据 D1,D2 和 D3,或由证明人生成(需要加入特定信息避免被人复用证明过程)。
证明人构造如图所示的默克尔树,公布 N1,N5,Root。验证者自行计算 Root 值,验证是否跟提供值一致,即可很容易检测 D0 存在。整个过程中验证者无法获知与 D0 相关的额外信息。
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