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InterValue使用Merkle tree来验证区块是否被篡改

InterValue队长发布在 项目交流
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1. 梅克尔树 / Merkle Tree



通常来讲,首先我们对数据块进行hash化(例如:使用sha256就会使不同大小的块变为256定长),而后对相邻的两个hash结果进行拼接,再进行hash,这样操作直到只有一个顶层hash。当然,有一种特殊情况:如果数据块数量为奇数(如果图上还有L5的话),就可以增加一个L5来进行计算(图上就变为L1,L2,L3,L4,L5,L5进行配对)。


Merkle Tree现有的理论比较成熟,机制原理也较容易理解。问题在于它的应用场景的细节没有相关说明。另外由Java语言实现的,成熟的商业开源方案还处于凤毛麟角的状况。


2. 业务需求


最近,InterValue研发团队在开发一个快速同步功能(fast sync),需要把共识节点的海量区块快速同步到新加入的节点,这里面有一个关键的任务是:需要同步区块的节点能主动发现其中有问题的区块,发现后只需要重新下载有问题的区块(例如,如果有100个区块共同下载到同步节点,其中2个块有问题,只需要重新下载有问题的2个块,不需要全部重新下载,提高下载效率),并且下载的区块验证数据大小不能呈指数级上升。


3. InterValue用Java语言实现标准的Merkle Tree


源代码已经发布在:


https://github.com/intervalue/intervalue-2.0.0-mainnet-rtm/tree/master/localfullnode2/src/main/java/one/inve/localfullnode2/utilities/merkle


4. Merkle Tree怎样应用到InterValue节点校验数据区块中


有几个关键概念需要提前知晓:

NodeContent:区块或者文件块被视为NodeContent,它提供两个关键功能:产生hash和比较功能。

FamedRootHash:由权威节点计算自己的merkle tree的hash根。

MerklePath:它由hash数组和index数组(它指定同位置hash里值是左值“l”还是右值“r”)组成。上图为例,L1的hash数组为{“hash0-1”,“hash1”},L1的index数组为{“r”,“r”}。

CalculatedRootHash:根据NodeContent和MerklePath计算出来的hash根,它会被用于与famedRootHash做比较。


快速同步验证流程为:



5. 过程伪码


public void validateSyncBlock() {

INodeContent[] blocks = buildBlocks();

INodeContent[] tamperedBlocks = buildTamperedBlocks();


MerkleTree mt = MerkleTree.create(blocks);

Node root = mt.getRoot();

byte[] famedRootHash = root.getHash();// which is provided by 3rd famed host


MerklePath mp = mt.getMerklePath(blocks[2]);

INodeContent tamperedBlock = tamperedBlocks[2];

INodeContent integralBlock = blocks[2];


// ignore these processes:

// .......serialize (famedRootHash,mp,tamperedBlock,integralBlock)

// ..........................................network transmission

// .....deserialize (famedRootHash,mp,tamperedBlock,integralBlock)


if (!mp.validate(tamperedBlock, famedRootHash)) {

System.out.println("bad news 1: tampered item");// this would be displayed.

}


if (!mp.validate(integralBlock, famedRootHash)) {

System.out.println("bad news 2: tampered item");// this wouldn't be displayed.

}

}

protected INodeContent[] buildBlocks() {

INodeContent[] blocks = new INodeContent[3];


blocks[0] = new Block("hello", 1);

blocks[1] = new Block("blockchain", 2);

blocks[2] = new Block("world", 3);


return blocks;

}

protected INodeContent[] buildTamperedBlocks() {

INodeContent[] blocks = new INodeContent[3];


blocks[0] = new Block("hello", 1);

blocks[1] = new Block("blockchain", 2);

blocks[2] = new Block("worlds", 3);// tampered item


return blocks;

}


6. 作者简介


Francis.Deng(francis_xiiiv@163.com),InterValue区块链架构师和项目源码的主要贡献者之一。

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