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概述

MerkleTree被广泛的应用在比特币技术中，本文旨在通过代码实现一个简单的MerkleTree，并计算出Merkle tree的 TreeRoot。 Merkle Tree 是一种数据结构，用于验证在计算机之间和之间存储，处理和传输的任何类型的数据。目前，Merkle树的主要用途是确保从对等网络中接收的数据块未受损和未改变，和检查其他对等网络没有撒谎发送假数据块。

Merkle Tree应用举例

比特币
Git
Amazon’s Dynamo
Gassandra

比特币中的应用

比特币中每个块中都包含了所有交易的集合签名，这个签名就是用Merkle tree实现的，Merkle树用于比特币以汇总块中的所有事务，产生整个事务集合的整体数字指纹，提供非常有效的过程来验证事务是否包括在块中。

Merkle树一个很重要的用处是检查块中是否包含指定的交易，Merkle树是通过递归哈希节点对来构造的，直到只有一个哈希。

Merkle tree 代码实现

哈希树的跟节点称为Merkle根，Merkle树可以仅用log2(N)的时间复杂度检查任何一个数据元素是否包含在树中：

package test;
import java.security.MessageDigest;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class MerkleTrees {
      // transaction List
      List<String> txList;
      // Merkle Root
      String root;

      /**
       * constructor
       * @param txList transaction List 交易List
       */
      public MerkleTrees(List<String> txList) {
        this.txList = txList;
        root = "";
      }

      /**
       * execute merkle_tree and set root.
       */
      public void merkle_tree() {

        List<String> tempTxList = new ArrayList<String>();

        for (int i = 0; i < this.txList.size(); i++) {
          tempTxList.add(this.txList.get(i));
        }

        List<String> newTxList = getNewTxList(tempTxList);

        while (newTxList.size() != 1) {
          newTxList = getNewTxList(newTxList);
        }

        this.root = newTxList.get(0);
      }

      /**
       * return Node Hash List.
       * @param tempTxList
       * @return
       */
      private List<String> getNewTxList(List<String> tempTxList) {

        List<String> newTxList = new ArrayList<String>();
        int index = 0;
        while (index < tempTxList.size()) {
          // left
          String left = tempTxList.get(index);
          index++;
          // right
          String right = "";
          if (index != tempTxList.size()) {
            right = tempTxList.get(index);
          }
          // sha2 hex value
          String sha2HexValue = getSHA2HexValue(left + right);
          newTxList.add(sha2HexValue);
          index++;

        }

        return newTxList;
      }

      /**
       * Return hex string
       * @param str
       * @return
       */
      public String getSHA2HexValue(String str) {
            byte[] cipher_byte;
            try{
                MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
                md.update(str.getBytes());
                cipher_byte = md.digest();
                StringBuilder sb = new StringBuilder(2 * cipher_byte.length);
                for(byte b: cipher_byte) {
                  sb.append(String.format("%02x", b&0xff) );
                }
                return sb.toString();
            } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
            }

            return "";
      }

      /**
       * Get Root
       * @return
       */
      public String getRoot() {
        return this.root;
      }

    }

数据准备

我们将交易的数据，放入到List中：

List<String> tempTxList = new ArrayList<String>();
tempTxList.add("a");
tempTxList.add("b");
tempTxList.add("c");
tempTxList.add("d");
tempTxList.add("e");

实现过程

准备交易数据
计算出每个数据的hash值，从左到右逐步组成树的左右节点
执行循环知道最后只剩下一个数据

private List<String> getNewTxList(List<String> tempTxList) {
  List<String> newTxList = new ArrayList<String>();
  int index = 0;
  while (index < tempTxList.size()) {
    // left
    String left = tempTxList.get(index);
    index++;
    // right
    String right = "";
    if (index != tempTxList.size()) {
      right = tempTxList.get(index);
    }
    // sha2 hex value
    String sha2HexValue = getSHA2HexValue(left + right);
    newTxList.add(sha2HexValue);
    index++;
  }

测试

package test;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class App {
      public static void main(String [] args) {
        List<String> tempTxList = new ArrayList<String>();
        tempTxList.add("a");
        tempTxList.add("b");
        tempTxList.add("c");
        tempTxList.add("d");
        tempTxList.add("e");

        MerkleTrees merkleTrees = new MerkleTrees(tempTxList);
        merkleTrees.merkle_tree();
        System.out.println("root : " + merkleTrees.getRoot());
      }
    }

执行结果

本文从简单二叉树的形式实现了简单的MerkleTree，计算出TreeRoot，但是实际上的的MerkleTree不拘谨与二叉树还可能是多叉树。

区块链的java实现

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Merkle Tree应用举例

比特币中的应用

Merkle tree 代码实现

数据准备

实现过程

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