19.1 認識 Merkle Tree

Merkle tree 是一種 hash tree,用來表示 hash 值的資料結構。Merkle tree 的發明人是 Ralph Merkle,當然這就是這個資料結構的名稱由來。

Merkle tree 的基本結構是 binary tree(二元樹),每一個 non-leaf 的節點(node),都被標示一個 hash 值。

圖 22-1 就是一個 binary Merkle Tree 的結構。其中,Top hash 的部份,就是 Merkle Root

圖 22-1 Merkle Tree(圖片來源:https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AHash_tree.png,By Davidgothberg at English Wikipedia,遵循 Public Domain 授權)

圖 22-1 Merkle Tree(圖片來源:https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AHash_tree.png,By Davidgothberg at English Wikipedia,遵循 Public Domain 授權

學習 Merkle tree 資料結構,可以說是「Blockchain 系統開發者」的第 1 堂課。為什麼這麼說呢?

以圖 22-2 來看,分散(Distributed)在世界各地的所有 Block 之間,以一個鏈(Chain)的關係串連在一起,這就是 Blockchain(區塊鏈)的概念與名稱由來。

圖 22-2 Block 與 Chain

圖 22-2 Block 與 Chain

Block #0

這些分散在世界各地的 Block,都會有一個編號,如圖 22-3。這個編號就是區塊產生的「順序」。

圖 22-3 Block #0

圖 22-3 Block #0

這其中,就一定會有編號為 0 的第一個區塊,這個區塊就稱之為 Genesis Block(創世區塊),學習如何建立 Genesis Block 就是 Blockchain 系統開發者的第 2 堂課。

而區塊的產生「方式」,則可以由 Blockchain 的系統開發者來設計。以 Nakamoto Blockchain 來說(Bitcoin 的 Blockchain 系統),區塊的產生過程,就稱為「挖礦」。

Blockchain 與 Merkle Tree

那 Merkle Tree 是 Blockchain 的關係倒底是什麼呢?將 Blockchain、Genesis block 與 Merkle tree 放在一起討論時,它們的關係就是圖 22-4。

圖 22-4 Blockchain、Genesis block 與 Merkle tree

圖 22-4 Blockchain、Genesis block 與 Merkle tree

如果我發展一個叫做 Jollen’s Blockchain 系統時,一個粗略的起步應該就是:

  • 建立 Genesis block,genesis block 會有自已的一個 hash 值,這個值是經由 hash 演算法產生,因此也叫做 hash ID

  • 利用演算法,經過一陣艱困的運算後,產生 Block #1

  • Block #1 也會有自已的 hash ID,同時, Block #1 要使用 PreviousHash 欄位,串接到前一個 Block,它的前一個 Block 就是 Genesis block(Block #0)

  • 同理,產生 Block #2 與更多 Blocks,這些 block 之間都用 PreviousHash 欄位串接,這條鏈就是 Block chain

到這邊,還是很好奇 Merkle tree 的用途啊?回顧圖 22-4 發現,每個 Block 裡面都會有 Merkle Root 欄位,這個欄位就是一顆 Merkle tree。

區塊倒底能做什麼呢?每一個區塊,都能用來「記帳」,整個 Blockchain 串接起來就是一本完整的帳冊,所以說,Blockchain 也叫做 distributed ledger(分散式帳冊)。

更深入技術來看,區塊裡的 Merkle tree 就是負責記帳的欄位。