cpp 区块链模拟示例(七) 补充 Merkle树

Merkle 树

完整的比特币数据库（也就是区块链）需要超过 140 Gb 的磁盘空间。因为比特币的去中心化特性，网络中的每个节点必须是独立，自给自足的，也就是每个节点必须存储一个区块链的完整副本。随着越来越多的人使用比特币，这条规则变得越来越难以遵守：因为不太可能每个人都去运行一个全节点。并且，由于节点是网络中的完全参与者，它们负有相关责任：节点必须验证交易和区块。另外，要想与其他节点交互和下载新块，也有一定的网络流量需求。

在中本聪的 比特币原始论文 中，对这个问题也有一个解决方案：简易支付验证（Simplified Payment Verification, SPV）。SPV 是一个比特币轻节点，它不需要下载整个区块链，也不需要验证区块和交易。相反，它会在区块链查找交易（为了验证支付），并且需要连接到一个全节点来检索必要的数据。这个机制允许在仅运行一个全节点的情况下有多个轻钱包。

为了实现 SPV，需要有一个方式来检查是否一个区块包含了某笔交易，而无须下载整个区块。这就是 Merkle 树所要完成的事情。

比特币用 Merkle 树来获取交易哈希，哈希被保存在区块头中，并会用于工作量证明系统。到目前为止，我们只是将一个块里面的每笔交易哈希连接了起来，将在上面应用了 SHA-256 算法。虽然这是一个用于获取区块交易唯一表示的一个不错的途径，但是它没有利用到 Merkle 树。

来看一下 Merkle 树：

每个块都会有一个 Merkle 树，它从叶子节点（树的底部）开始，一个叶子节点就是一个交易哈希（比特币使用双 SHA256 哈希）。叶子节点的数量必须是双数，但是并非每个块都包含了双数的交易。因为，如果一个块里面的交易数为单数，那么就将最后一个叶子节点（也就是 Merkle 树的最后一个交易，不是区块的最后一笔交易）复制一份凑成双数。

从下往上，两两成对，连接两个节点哈希，将组合哈希作为新的哈希。新的哈希就成为新的树节点。重复该过程，直到仅有一个节点，也就是树根。根哈希然后就会当做是整个块交易的唯一标示，将它保存到区块头，然后用于工作量证明。

Merkle 树的好处就是一个节点可以在不下载整个块的情况下，验证是否包含某笔交易。并且这些只需要一个交易哈希，一个 Merkle 树根哈希和一个 Merkle 路径。

最后，来写代码：

 package main

 import (
     "crypto/sha256"
     "fmt"
     "encoding/hex"
 )

 type MerkleTree struct{
     RootNode * MerkleNode
 }

 type MerkleNode struct{
     Left     *MerkleNode
     Right     *MerkleNode
     Data     []byte
 }

 func NewMerkleTree(data [][]byte) * MerkleTree{
     var nodes []MerkleNode
     if len(data)% != {
         data = append(data,data[len(data)-])
     }

     for _,datum := range data{
         node := NewMerkleNode(nil,nil,datum)
         nodes = append(nodes,*node)
     }

     for i := ;i < len(data)/;i++{
         var newLevel []MerkleNode

         for j := ;j < len(nodes);j += {
             node := NewMerkleNode(&nodes[j],&nodes[j+],nil)
             newLevel = append(newLevel,*node)
         }
         nodes = newLevel
     }

     mTree := MerkleTree{&nodes[]}
     return &mTree
 }

 func NewMerkleNode(left,right *MerkleNode,data []byte)*MerkleNode{
     mNode := MerkleNode{}

     if left == nil && right == nil{
         hash := sha256.Sum256(data)
         mNode.Data = hash[:]
     }else{
         prevHashes := append(left.Data,right.Data...)
         hash := sha256.Sum256(prevHashes)
         mNode.Data = hash[:]
     }

     mNode.Left = left
     mNode.Right = right

     return &mNode
 }
 //==============================================================

 func testNewMerkleNode1(){
     data := [][]byte{
         []byte("node1"),
         []byte("node2"),
         []byte("node3"),
     }

     n1 := NewMerkleNode(nil,nil,data[])
     n2 := NewMerkleNode(nil,nil,data[])
     n3 := NewMerkleNode(nil,nil,data[])
     n4 := NewMerkleNode(nil,nil,data[])

     n5 := NewMerkleNode(n1,n2,nil)
     n6 := NewMerkleNode(n3,n4,nil)

     n7 := NewMerkleNode(n5,n6,nil)

     fmt.Println("n5 = ",hex.EncodeToString(n5.Data))
     fmt.Println("n6 = ",hex.EncodeToString(n6.Data))
     fmt.Println("n7 = ",hex.EncodeToString(n7.Data))
 }

 func testNewMerkleNode2(){
     data := [][]byte{
         []byte("node1"),
         []byte("node2"),
         []byte("node3"),
     }
     // Level 1
     n1 := NewMerkleNode(nil, nil, data[])
     n2 := NewMerkleNode(nil, nil, data[])
     n3 := NewMerkleNode(nil, nil, data[])
     n4 := NewMerkleNode(nil, nil, data[])

     // Level 2
     n5 := NewMerkleNode(n1, n2, nil)
     n6 := NewMerkleNode(n3, n4, nil)

     // Level 3
     n7 := NewMerkleNode(n5, n6, nil)

     rootHash := fmt.Sprintf("%x", n7.Data)
     mTree := NewMerkleTree(data)

     fmt.Println("roothash =\t",(rootHash))
     fmt.Println("mTree =\t\t",hex.EncodeToString(mTree.RootNode.Data))
 }

 func main() {
     testNewMerkleNode1()
     testNewMerkleNode2()
 }

Merkle_go

c++需要导入之前的sha256  https://www.cnblogs.com/itdef/p/9435218.html

sha256.cpp    sha256.h

 // 1111.cpp: 定义控制台应用程序的入口点。
 //

 #include "sha256.h"
 #include <string>
 #include <vector>
 #include <iostream>

 using namespace std;

 typedef struct merklenode {
     struct merklenode* left;
     struct merklenode* right;
     string data;
 }MerkleNode;

 typedef struct merkletree {
     MerkleNode* merkleNode;
 }MerkleTree;

 MerkleNode* NewMerkleNode(MerkleNode* left, MerkleNode* right, string data) {
     MerkleNode* mNode = new MerkleNode{};

     if (left == nullptr && right == nullptr) {
         string hash = sha256(data);
         mNode->data = hash;
     }
     else {
         string prevHashes = left->data + right->data;
         string hash = sha256(prevHashes);
         mNode->data = hash;
     }

     mNode->left = left;
     mNode->right = right;

     return mNode;
 }

 MerkleTree* NewMerkleTree(vector<string> data) {
     vector<MerkleNode*>  nodes;

     if ((data.size() % ) != ) {
         data.push_back(data[data.size() - ]);
     }

     for (const auto& datum : data) {
         MerkleNode* node = NewMerkleNode(nullptr, nullptr, datum);
         nodes.push_back(node);
     }

     for (int i = ; i < (data.size() / ); i++) {
         vector<MerkleNode*> newLevel;

         for (int j = ; j < nodes.size(); j += ) {
             MerkleNode* node = NewMerkleNode(nodes[j], nodes[j + ], "");
             newLevel.push_back(node);
         }
         nodes = newLevel;
     }

     MerkleTree* mTree = new MerkleTree{ nodes[] };
     return mTree;
 }

 void testNewMerkleNode1() {
     vector<string> data{ "node1","node2","node3" };

     MerkleNode* n1 = NewMerkleNode(nullptr, nullptr, data[]);
     MerkleNode* n2 = NewMerkleNode(nullptr, nullptr, data[]);
     MerkleNode* n3 = NewMerkleNode(nullptr, nullptr, data[]);
     MerkleNode* n4 = NewMerkleNode(nullptr, nullptr, data[]);

     MerkleNode* n5 = NewMerkleNode(n1, n2, "");
     MerkleNode* n6 = NewMerkleNode(n3, n4, "");

     MerkleNode* n7 = NewMerkleNode(n5, n6, "");

     std::cout << "n5 = " << n5->data << std::endl;
     std::cout << "n6 = " << n6->data << std::endl;
     std::cout << "n7 = " << n7->data << std::endl;
 }

 void testNewMerkleNode2() {
     vector<string> data{ "node1","node2","node3" };

     MerkleNode* n1 = NewMerkleNode(nullptr, nullptr, data[]);
     MerkleNode* n2 = NewMerkleNode(nullptr, nullptr, data[]);
     MerkleNode* n3 = NewMerkleNode(nullptr, nullptr, data[]);
     MerkleNode* n4 = NewMerkleNode(nullptr, nullptr, data[]);

     MerkleNode* n5 = NewMerkleNode(n1, n2, "");
     MerkleNode* n6 = NewMerkleNode(n3, n4, "");

     MerkleNode* n7 = NewMerkleNode(n5, n6, "");

     MerkleTree* mTree = NewMerkleTree(data);

     std::cout << "roothash = "<< n7->data << std::endl;
     std::cout << "mTree = " << mTree->merkleNode->data <<  std::endl;

 }

 int main()
 {
     testNewMerkleNode1();
     testNewMerkleNode2();
     return ;
 }

Merkle_cpp

参考

https://blog.csdn.net/simple_the_best/article/details/78462129