區塊鏈技術架構分析（3）-默克爾樹（merkle tree）
默克爾樹（Merkle
tree，MT）是一種哈希二叉樹，1979年由Ralph
Merkle發明。在計算機科學中，二叉樹是每個節點最多有兩個子樹的樹結構，每個節點代表一條結構化數據。通常子樹被稱作“左子樹”（left
subtree）和“右子樹”（right subtree）。二叉樹常被用於實現數據快速查詢。二叉樹如下圖所示。
A、Merkle樹結構
由一個根節點（root）、一組中間節點和一組葉節點（leaf）組成。葉節點（leaf）包含存儲數據或其哈希值，中間節點是它的兩個孩子節點內容的哈希值，根節點也是由它的兩個子節點內容的哈希值組成。所以Merkle樹也稱哈希樹。
B、哈希樹的特點
葉節點存儲的是數據文件，而非葉節點存儲的是其子節點的哈希值（Hash，通過SHA1、SHA256等哈希算法計算而來），這些非葉子節點的Hash被稱作路徑哈希值（可以據其確定某個葉節點到根節點的路徑）,
葉節點的Hash值是真實數據的Hash值。因為使用了樹形結構, 其查詢的時間復雜度為 O(logn)，n是節點數量。
默克爾樹的另一個特點是，底層數據的任何變動，都會傳遞到其父節點，一直到樹根。
C、應用模式
默克爾樹的典型應用場景包括：
l 快速比較大量數據：當兩個默克爾樹根相同時，則意味着所代表的數據必然相同（哈希算法決定的）。
l 快速定位修改：例如上例中，如果 D1 中數據被修改，會影響到Hash0-0，Hash0 和 Root。因此，沿着 Root --> 0 --> 0-0，可以快速定位到發生改變的 D1；
l 零知識證明：例如如何證明某個數據（D0……D3）中包括給定內容 D0，很簡單，構造一個默克爾樹，公布 N0，N1，N4，Root，D0擁有者可以很容易檢測 D0 存在，但不知道其它內容。
相對於 Hash List，MT的明顯的一個好處是可以單獨拿出一個分支來（作為一個小樹）對部分數據進行校驗，這個很多使用場合就帶來了哈希列表所不能比擬的方便和高效。正是源於這些優點，MT常用於分布式系統或分布式存儲中
D、在分布式存儲系統中的應用原理
為了保持數據一致，分布系統間數據需要同步，如果對機器上所有數據都進行比對的話，數據傳輸量就會很大，從而造成“網絡擁擠”。為了解決這個問題，可以在每台機器上構造一棵Merkle
Tree，這樣，在兩台機器間進行數據比對時，從Merkle
Tree的根節點開始進行比對，如果根節點一樣，則表示兩個副本目前是一致的，不再需要任何處理；如果不一樣，則沿着hash值不同的節點路徑查詢，很快就能定位到數據不一致的葉節點，只用把不一致的數據同步即可，這樣大大節省了比對時間以及數據的傳輸量。
E、比特幣中的Merkle Tree
比特幣區塊鏈系統中的采用的是Merkle二叉樹，它的作用主要是快速歸納和校驗區塊數據的完整性，它會將區塊鏈中的數據分組進行哈希運算，向上不斷遞歸運算產生新的哈希節點，最終只剩下一個Merkle根存入區塊頭中，每個哈希節點總是包含兩個相鄰的數據塊或其哈希值。
在比特幣系統中使用Merkle樹有諸多優點：首先是極大地提高了區塊鏈的運行效率和可擴展性，使得區塊頭只需包含根哈希值而不必封裝所有底層數據，這使得哈希運算可以高效地運行在智能手機甚至物聯網設備上；其次是Merkle樹可支持“簡化支付驗證協議”（SPV），即在不運行完整區塊鏈網絡節點的情況下，也能夠對交易數據進行檢驗。所以，在區塊鏈中使用Merkle樹這種數據結構是非常具有意義的。
Merkle樹的計算可參考：
https://www.cnblogs.com/fengzhiwu/p/5524324.html
https://blog.csdn.net/qq_33935254/article/details/55505472