比特币交易数据比特币默克尔树和 SPV 机制

时间：2022-03-09|浏览：7107

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在说默克尔树之前，我们先来看看比特币区块的结构。可以看到里面有一个二叉哈希树根。该哈希值是当前区块中包含的所有交易产生的哈希值，采用默克尔树结构。
查看区块的链接地址：
2.默克尔树概念
Merkle Tree，又名Hash Tree，是Ralph Merkle1979年申请的专利。它是一种用于快速总结和检查大规模数据完整性的树状数据结构。
它具有以下特点
注意：如果叶子节点的初始个数是奇数，可以复制最后一个叶子节点补一个偶数。
可以发现，只要存储的叶节点数据发生变化，就会逐层传递到相应的父节点，默克尔树根节点的哈希值就会发生变化。
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3.应用默克尔树
Merkle树木的应用场景如下：
对比特币的简单支付验证 (SPV) 1.什么是 SPV
简单支付认证，即简单支付，简称SPV。SPV 的目标是验证交易支付的存在，并从比特币网络中获得多少确认（多少块）。比特币中的 SPV 功能用于 Merkle 树的属性。
2.为什么需要SPV机制
众所周知，比特币网络中产生的所有交易都被包装成块。通常，一个块包含数十万笔交易是很常见的。2014年4月，比特币网络中的一个整个节点需要存储和处理所有块的数据，占用 15GB 空间，每月超过 1GB 的速度增长。怎么办？完全下载比特币的所有区块数据需要完整的 200GB 空间！！.
如果用户使用手机使用比特币，他们没有足够的空间存储如此大量的数据，并且会逐年增加。因此，中本聪在比特币白皮书中提出SPV概念：无需操作整个节点即可验证付款，用户只需保存所有块。虽然用户无法自行验证交易，但如果他们能从区块链的某个地方找到匹配的交易，他们可以知道该交易已经被网络确认或被网络确认了多少次。

这里需要注意的是，SPV 强调验证支付比特币的交易数据，而不是交易。这两个概念是不同的。验证付款相对简单。它只需要判断用于支付的交易是否已经验证，网络已经确认了多少次（即叠加了多少块）。交易验证要复杂得多。需要验证账户余额是否足够，是否有双重支付，交易脚本是否通过，一般由全节点矿工完成。
如下图所示，我们知道比特币中的块结构分为两部分，一部分是块头，包括块的必要属性，只有80字节。另一个是块体，包括当前块下的所有交易。一般来说，一个块包含数百笔交易，每笔交易一般占用400多个字节。
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3. 比特币网络节点类型
以下是比特币网络中常见的节点类型：
(1）全节点
包括钱包(支付验证)、矿工、完整的区块链数据库、网络路由节点等功能。

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(2）SPV 节点
只是一个简单的支付验证功能
此外，还有其他类型的节点，如独立矿工，这里就不一一介绍了。详见《精通比特币》一书中比特币网络第六章。
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4.SPV 验证流程
在 SPV 在节点上，不保存所有区块链数据，也不下载所有区块交易，只保存区块头数据。因此，该节点不能验证所有交易，只能用于验证支付（区块链中确认多少次）。到目前为止，比特币的高度为：521283（时间：2018-05-05 15:41)，按区块头80字节计算，总尺寸只有10MB（80*521283/1024/ 1024)，对整个存储容量的要求大大降低。
那么，用户A购买商品时用比特币支付，声称已将1 转账给商家BTC，到商家验证付款有效（SPV验证过程是什么？
5.默克尔路径
上一节我们提到了 Merkle 路径可以证明一个交易是否存在于一个区块中。让我们用一个例子来解释 Merkle 路径。
如下图所示，如果我们需要证明一个区块上是否有交易C(如上图所示，我们可以得到区块结构Merkle树根的哈希值)，所以我们只需要 N3 和 N4 哈希值形成的 Merkle 路径可以证明过程如下：
Step4：然后将上一步获得的根哈希值与区块头中的根哈希值进行比较。如果相同，则证明区块中有交易C，否则说明不存在
也就是说，我们只需要 2 哈希节点来验证一个具有 4 笔交易的区块比特币交易数据。
在这里，我们可能看不到默克尔树结构的优看不到默克尔树结构的优势。接下来，让我们逐渐增加块中的交易量，看看 Merkle Tree 的优势。
交易量区块大小相似Merkle 路径大小
16 笔交易
4KB
log2(16)=4
4*32 = 128 字节
512 笔交易
128KB
log2(512)=9
9*32 = 288 字节
2048 笔交易
512KB
log2(2048)=11
11*32 = 352 字节
65536 笔交易
16MB
log2(65536)=16
16*32 = 512 字节
注：散列大小为 32 字节
从上表可以看出，当交易数量呈几何增长时，Merkle 路径的成本增长非常缓慢。因此，通过 Merkle 路径，SPV 节点可以快速定位交易，成本很小。