区块链如何运用merkle tree验证交易真实性

大部分材料都会提到区块中保存了merkle根,并且利用它作交易真实性验证。但是具体如何作这个真实性验证,没有一篇文章可以通俗的讲出来。本文假设你已经知道区块链中merkle tree的原理,现在想搞明白具体怎么来实现交易真实性验证。

Merkle Tree

这个小节简述一下merkle的原理,具体详解会另外写文章,你关注我的文章即可。简单说,merkle tree就是一个hash二叉树,父节点是两个子节点的double sha256的结果,叶子节点就是交易的content的double sha256结果。

blockchain merkle tree

上图中最下面那一层就是交易数据,每一个交易都可以计算出一个hash,从而层层向上,得到merkle root。但是由于blockchain里面都merkle运算要求叶子节点是偶数,所以,当一个区块内包含当交易数量为奇数时,把最后一个交易复制一份,凑成偶数。

最后就是把merkle root保存在区块头中,交易数据被保存在区块体中,其实中间当那些hash并没有被保存,它们只是运算过程数据。

SPV

为什么要搞这么复杂?直接把所有交易数据保存起来了,要验证交易是否存在还不简单吗?之所以要这么干,是因为比特币发明之初,中本聪想到有一种轻钱包的设计,这就是SPV(简化支付验证,Simplified Payment Verification)。

轻钱包并不保存完整的区块链,而是只保存每一个区块的区块头。区块体保存了完整的交易信息,而交易信息需要的存储量大部分都是交易头的千倍以上。所以,如果只保存交易头,就可以极大的减少本地客户端存储的区块链信息。

但是,不能因此让区块链无法工作啊。如果这个时候轻钱包要对某一个交易进行验证,而本地又没有这个交易的信息,那怎么验证呢?这时,区块头里面的merkle root就要起作用了。

验证路径

在讲述轻钱包的验证过程之前,我们需要知道如何在merkle tree里面做验证。我们已知merkle tree里面父节点和子节点的运算关系,因此,当我们要证明一个叶子节点存在于这棵树时,只需要得到从该叶子节点到根的运算过程里面需要的那些hash即可,并不需要所有叶子节点参与计算。

merkle验证路径

你可能觉得有点奇怪,为什么不直接把所有的叶子节点告诉它就行了,你用所有叶子节点能算出root hash就验证通过了。但事实就是这样,因为每一个父节点hash一定是由两个子节点hash运算得到,所以,我们只需要挑选出所有参与运算的节点,就可以证明这个叶子节点存在于树中。这样可以减少hash运算的次数。而这些被挑选出来的节点,以及它们之间的层级关系,就是验证路径,即上图中merkle root那个盒子下面的所有盒子。

如何证明交易的真实性?

比特币网络中的交易,只有已经被记录到区块链,并且已经得到6个确认的,才被认为是真实的,只有基于这些真实交易发起的新交易(输入与输出的概念),才是合法的。

我们询问一个交易是否真实,往往基于以下前提:

  • 我们在问一个交易是否已被记录到区块链中
  • 而且这个交易所在的区块链是最长的哪一条,没有在分叉链上
  • 当每个节点接收到一条交易广播时,我们要查询作为一笔新交易的输入的真实性
  • 矿工对交易进行打包之前,对所有的输入进行真实性验证(在矿工接收到交易信息时就已经验证过了,打包的时候验证2000条交易信息不可能)

那么对于SPV轻钱包而言,怎么知道一个交易是否真实的呢?SPV拿到一个交易信息之后(比如接收到一笔钱),并不能确认这个交易是否合法,因此要对这个交易的输入进行验证。但是它只拿到了单个交易的信息,而没有本地的完整区块链数据,因此,SPV要拿着这个交易的信息向网络发起查询请求,这个请求被称为merkle block message。当其他有完整区块链数据的客户端收到这个请求之后,利用传过来的交易信息在自己的区块链数据库中进行查询,并把验证路径返回给请求源,SPV拿到验证路径之后,再做一次merkle校验,确认无误之后,就认为这个交易是可信的。

现在的问题是:

  • 怎么从区块链里面查一个交易?
  • 怎么获取merkle验证路径?
  • 怎么确保网络上这个返回的验证路径不是伪造的?

从区块链查交易

区块链的数据结构是离散的,比特币里面一个区块被保存在一个文件里面,要得到一个交易的验证路径,必须得到这个交易所在的区块链。这是一个复制的查询过程,可能需要把所有的区块都遍历一遍才能找到。因此,blockchain.info这样的网站孕育而生,帮助你通过一个信息查这个信息在区块链上的所有相关记录。但是对于客户端而言,可没那么容易,它不能信任blockchain.info这个网站,只能信任自己本地存储的区块链。所以,只能用比较合理的算法,去优化交易查询。

一种设计是,把每一个区块的数据结构修改为关系型数据库,通过关系型数据库,可以用sql语句快速查询。但是,要遍历查询所有区块链,是比较浪费的。还有一种想法是,利用交易的时间戳来快速定位区块位置,在临近的几个区块中快速找到它。

如何获取merkle验证路径?

实际上,merkle的验证路径生成的前提是已经存在一棵完整的merkle树。市面上有很多merkle树的实现包,有的包直接给出来getProof的方法来获取某个叶子节点的验证路径。

在客户端收到merkle block message之后,要执行下面的步骤:

  1. 通过上述方法找到包含该交易的区块
  2. 检查该区块是否是整个网络中最长链条里面的
  3. 取出所有交易生成merkle tree,利用getProof方法得到该交易的验证路径
  4. 将该验证路径发送回请求源

SPV得到响应之后,要做如下验证:

  1. 同步区块链,确保是整个网络中最长的一条
  2. 先拿到merkle root去区块链中查找,确保该merkle root hash是在链条中
  3. 利用拿到的验证路径,再进行一次merkle校验,确保验证路径全部合法

为什么SPV还要再做一次merkle校验呢?主要是为了确保响应方发送的验证路径的有效性。

确保验证路径的真实性

上面提到了SPV还要做一次merkle校验,这也是“不信任”的表现之一。我们并不确保响应我们的节点不会作弊或欺诈,因此,我们要自己进行校验。但是,有没有可能虽然校验过程顺利,但是实际上校验路径是伪造的呢?

我们来做一个假设:1)merkle root为真;2)交易为假;3)路径中的hash可真可假。这个假设是否成立?

我们知道,不同字符串碰撞到同一个sha256的概率极小,那么double sha256的概率就是它的平方,而merkle root是经过一层一层计算上来的,如果一个区块只有一个(或2个)交易,那么就是double^(2+1) sha256,而如果是4个交易,就有double^(4 + 2 + 1) sha256,更何况一个区块有那么多交易,要经过merkle运算得到一个相同的hash,几乎是不可能的,因此,在merkle验证中用一个伪造的交易hash来得到一个已知来merkle root是不可能的。

如果还想更进一步校验,可以在区块头中存储区块打包的交易的数量,这样就可以知道从交易hash到merkle root需要经过几层的运算。这也是一个检验点。

小结

merkle tree被广泛运用于区块链中,但并不是只有区块链使用它来进行校验。比如一些p2p下载,如迅雷,就需要把文件分割为小块文件,每块都有一个hash,每块从不同的网络节点下载,最后组成一个完整的文件,但是也需要进行hash验证,它也可以使用merkle来进行验证。merkle tree也不一定是二叉树,可以是任意树结构。而在以太坊中,merkle验证还不够用,增加了Patricia Tree验证,合起来称为“Merkle Patricia Tree”。

2018-03-07 9407

为价值买单

本文价值94.07RMB
已有5条评论
  1. 春风 2018-08-30 09:36

    交易的真实性是不是可以理解为:SPV请求认证路径时,只要有节点响应并给出认证路径,这个交易就是真实的。
    然后为了确保响应方发送的验证路径有效,SPV再利用认证路径从下往上计算一次,检验能否得到与自己区块头内相同的Merkle树根。

    • 否子戈 2018-08-31 09:43

      可以这么认为

      • 春风 2018-08-31 10:25

        好的,🙇‍感谢~

  2. adan 2018-07-09 23:46

    文章写得很棒.有一个地方需要更正一下.
    SPV要拿着这个交易的信息向网络发起查询请求,这个请求被称为merkle block message.
    —-
    应该是 这个请求的response称为 merkle block message.
    一般SPV和网络中的peer还会再加多一层bloom过滤器,来避免隐私泄露.

    • 否子戈 2018-07-10 01:10

      谢谢指正哦~~