前言

Merkle根是通過將成對的txid散列一起創(chuàng)建的，它為區(qū)塊中的所有事務提供了一個簡短但唯一的認證。

然后將這個merkle根用作于區(qū)塊頭中的字段，這意味著每個區(qū)塊頭將對區(qū)塊內(nèi)的每個事務都有一個簡潔的表示。

本教程將演示如何計算merkle根字段。

先決條件

本教程將需要訪問比特幣節(jié)點。我們建議以regtest模式配置節(jié)點進行，這樣我們就可以自由地玩各種場景，而不必浪費真正的BTC。但是您也可以針對testnet或mainnet配置執(zhí)行這些操作。

在深入到Merkle樹之前，讓我們先了解一下它們的操作所需的專業(yè)術語，稱為hash函數(shù)或trapdoor函數(shù)。這些函數(shù)在一個方向上很容易計算，但在沒有特殊信息的情況下（稱為“陷阱門”）很難在相反的方向上計算（求逆）。Trapdoor功能廣泛用于密碼學。散列函數(shù)是可用于將任意大小的數(shù)字數(shù)據(jù)映射到固定大小的任何函數(shù)，輸入數(shù)據(jù)的細微差異會導致輸出數(shù)據(jù)的很大差異。

其中一些散列函數(shù)包括md5、sha1和sha256。

使用sha256的示例

gr0kchain@bitcoindev $ echo -en “Hello World” | openssl dgst -sha256

a591a6d40bf420404a011733cfb7b190d62c65bf0bcda32b57b277d9ad9f146e

這里我們提供數(shù)據(jù)Hello World并將其傳遞到opnessl命令，并帶有sha256的摘要標志。我們在這里收到的輸出是輸入數(shù)據(jù)的認證a591a6d40bf420404a011733cfb7b190d62c65bf0bcda32b57b277d9ad9f146e。任何在相同輸入數(shù)據(jù)上使用sha256的人都會產(chǎn)生相同的哈希值。對數(shù)據(jù)的輕微更改會導致完全不同的哈希值。

gr0kchain@bitcoindev $ echo -en “Hello World.” | openssl dgst -sha256

f4bb1975bf1f81f76ce824f7536c1e101a8060a632a52289d530a6f600d52c92

關于merkle樹的一些背景

在前面的示例中，我們簡要介紹了如何從任意輸入數(shù)據(jù)生成唯一的認證。當我們需要為大量數(shù)據(jù)提供加密證明時，這非常有用。這些數(shù)據(jù)可以用所謂的merkle或hash樹表示。Merkle Trees是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，您可以從中派生與前面所指出的相同的哈希。

merkle樹的一個特性是，葉節(jié)點層中的任何更改都將導致完全不同的merkle根散列。因此，我們可以使用這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來驗證一組數(shù)據(jù)的完整性。

從命令行計算merkle根目錄

讓我們完成生成merkle root所需的步驟：

1、生成一個新地址。

gr0kchain@bitcoindev $ bitcoin-cli getnewaddress

mgKkU7NQsDrMZ6uY1J7on9TyKKeH3FNnhH

2、將比特幣發(fā)送到新地址。

gr0kchain@bitcoindev $ bitcoin-cli sendtoaddress mgKkU7NQsDrMZ6uY1J7on9TyKKeH3FNnhH 1

a99011a19e9894753d6c65c8fa412838ea8042886537588e7205734d5de8956d

3、生成新區(qū)塊。

gr0kchain@bitcoindev $ bitcoin-cli generate 1

［

“1e871187ba510207d88f1bb0aa1895fb2420066277fdbba7c857b339810dfcec”

］

4、獲取區(qū)塊的信息。

gr0kchain@bitcoindev $ bitcoin-cli getblock

1e871187ba510207d88f1bb0aa1895fb2420066277fdbba7c857b339810dfcec

{

“hash”： “1e871187ba510207d88f1bb0aa1895fb2420066277fdbba7c857b

339810dfcec”，

“confirmations”： 1，

“size”： 553，

“height”： 132，

“version”： 536870912，

“merkleroot”： “25c8487847de572c21bff029a95d9a9fecd9f4c2736984b9

79d37258cd47bd1f”，

“tx”： ［

“3bd3a1309a518c381248fdc26c3a6bd62c35db7705069f59206684308cc237b3”，

“a99011a19e9894753d6c65c8fa412838ea8042886537588e7205734d5de8956d”

］，

“time”： 1553088284，

“mediantime”： 1553087229，

“nonce”： 3，

“bits”： “207fffff”，

“difficulty”： 4.656542373906925e-10，

“chainwork”： “000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000010a”，

“previousblockhash”： “78c3c76fe213ca9f5a0f616b155341eb12b963ce10107b18c9ff612cfc90843d”

}

這里我們可以看到該塊的兩個事務標識符為3bd3a1309a518c381248fdc26c3a6bd62c35db7705069f59206684308cc237b3（我們的coinbase）和a99011a19e9894753d6c65c8fa412838ea8042886537588e7205734d5de8956d（我們上面執(zhí)行的事務的標識符）

5、接下來，我們需要將這些字節(jié)順序從大到小顛倒過來（網(wǎng)絡字節(jié)順序）

gr0kchain@bitcoindev $ （export LC_ALL=C; xxd -revert -plain

《《《 3bd3a1309a518c381248fdc26c3a6bd62c35db7705069f59206684308cc237b3

| rev | tr -d ‘\n’ | xxd -plain | tr -d ‘\n’）

b337c28c30846620599f060577db352cd66b3a6cc2fd4812388c519a30a1d33b

gr0kchain@bitcoindev $ （export LC_ALL=C; xxd -revert -plain

《《《 a99011a19e9894753d6c65c8fa412838ea8042886537588e7205734d5de8956d

| rev | tr -d ‘\n’ | xxd -plain | tr -d ‘\n’）

6d95e85d4d7305728e583765884280ea382841fac8656c3d7594989ea11190a9

注意：此處使用LC_ALL = C刪除所有本地化設置。

6、連接這些值并從二進制數(shù)據(jù)計算sha256摘要

gr0kchain@bitcoindev $ echo -en “b337c28c30846620599f060577db352

cd66b3a6cc2fd4812388c519a30a1d33b6d95e85d4d7305728e583765884280e

a382841fac8656c3d7594989ea11190a9” | xxd -r -p | sha256

c1f8c1f3b52135cf7f9d0f9422d6d826f4097631615fcc44e3ec70461c27b7b2

7、將此值轉(zhuǎn)換為二進制，并在輸出上執(zhí)行另一個sha256操作

gr0kchain@bitcoindev $ echo -en “c1f8c1f3b52135cf7f9d0f9422d6d82

6f4097631615fcc44e3ec70461c27b7b2” | xxd -r -p | sha256

1fbd47cd5872d379b9846973c2f4d9ec9f9a5da929f0bf212c57de477848c825

8、最后，顛倒順序從小到大。

gr0kchain@bitcoindev $ （export LC_ALL=C; xxd -revert -plain

《《《 1fbd47cd5872d379b9846973c2f4d9ec9f9a5da929f0bf212c57de477848c825

| rev | tr -d ‘\n’ | xxd -plain | tr -d ‘\n’）

25c8487847de572c21bff029a95d9a9fecd9f4c2736984b979d37258cd47bd1f

我們現(xiàn)在有來自bitcoin-cli getblock命令的原始merkleroot值！ 您可以根據(jù)需要重復此過程。

只包含coinbase事務的區(qū)塊的merkle根的異常

上述過程的一個例外是為包含單個事務的區(qū)塊生成merkle根。

gr0kchain@bitcoindev $ bitcoin-cli generate 1

［

“78c3c76fe213ca9f5a0f616b155341eb12b963ce10107b18c9ff612cfc90843d”

］

gr0kchain@bitcoindev $ bitcoin-cli getblock 78c3c76fe213ca9f5a0f616b155341eb12b963ce10107b18c9ff612cfc90843d

{

“hash”： “78c3c76fe213ca9f5a0f616b155341eb12b963ce10107b18c9ff612cfc90843d”，

“confirmations”： 1，

“size”： 181，

“height”： 131，

“version”： 536870912，

“merkleroot”： “4415425121d3e80d3d733323ecdc981d43b6888241b99c0217a6b7184b021f5e”，

“tx”： ［

“4415425121d3e80d3d733323ecdc981d43b6888241b99c0217a6b7184b021f5e”

］，

“time”： 1553088104，

“mediantime”： 1553087066，

“nonce”： 0，

“bits”： “207fffff”，

“difficulty”： 4.656542373906925e-10，

“chainwork”： “0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000108”，

“previousblockhash”： “0d0c6c9b2c5b48451832c15cf6e8856772df2a0760f8614dbc0734e1e9d7171a”

}

在這里我們可以看到merkle root與coinbase事務的事務id相同。還有另一種情況，如果葉節(jié)點的數(shù)量不均勻，則將現(xiàn)有的tx id附加到葉節(jié)點列表以計算第一級散列對。

結(jié)論

在本教程中，我們研究了hash函數(shù)、merkle樹以及如何計算merkle根。