默克尔树 Merkle trees（一）

先给大家看一段员外觉得最精辟的一段关于区块链的描述：

“区块链是实现无中心分布式总账的一种技术。除了采用块、链结构的典型区块链以外，还有其他的方式实现分布式总账这个需求。总账技术的基本单元是‘交易’，整个账本是由一条条的交易构成。‘块’类似于账本中的页，每页都记录了若干条交易，把一页一页的账页按照时间顺序装订起来，就形成了一个完整的账本——‘区块链’。‘块’是交易的容器，‘块’通过密码学算法相连接，形成了按照时间序列的‘链’。这种组织账本的好处是由密码学算法保证了无法篡改链上的单独交易，除非整体性的篡改。”

从上面这段描述中，我们可以发现这个“块”才是整个区块链中最核心的东西，因为它承载着整个区块链的交易数据。然后用密码学算法把这些块依次连接，形成了一条完整的区块链。

这种数据结构的利弊

因为每一个区块都必须前后紧密相连，所以最大的好处就是容易保持数据的完整性，想要检索某条数据，依次往下找就好了，只能真实存在就一定能找得到。但是这样的结构方式也暴露出来另一个问题，那就是随着用户的交易频率越来越高，数据会不停增加，区块也会不停的增多，最后导致整条链越来越长。

当然这种方式在最开始的比特币系统中，是没有什么大的问题的，毕竟比特币每10分钟才产出一个块，每个块也就 1 M大小，即使100年后，普通的计算机也依然具备运行这些全节点的能力。但如果是数据量比比特币大很多个数量级的公链来说，这样的节点设计，将会是致命的问题。不用多久，数据量就会变得非常巨大，最后就有可能导致没有计算机可能运行这些全节点数据。

如何解决数据量过大的问题

大家应该都遇到过这种情况，就是在购买火车票后，查询已完成订单的时候，如果时间过去比较久了，是需要输入一个日期范围才能查到的。知道为什么要多出这一个输入日期的步骤来吗？

因为在12306的数据库中，每日的数据增长量是非常之大的，如果所有的数据都存放在一个数据库中，那这个数据库的压力就会越来越大，所以就需要把这些历史数据存到其他的存储设备中，然后主数据库只需要保存用户账户的最近动态即可。

但在比特币系统中，使用的是 UTXO 方式来存储用户交易的，这种方式保存下来的都是交易的过程。如果一个账户一直没有交易，新产出的区块中则不会出现这个账户的任何信息。

如果按照12306这种类似的传统数据库记录数据的方式的话，只要一个账户一直没有进行交易，为了维护整个区块链系统的密码学完整性和安全性，这个区块就必须保留，同时这个区块之后的所有区块也必须保留。

所以中本聪在设计比特币系统的时候，就考虑到了这一点，使用默克尔树来解决了这个问题。顾名思义就是一种树状的结构，只不过是倒过来的树，树根在最上面，枝叶则朝下。

一个区块中有一颗默克尔树，这个区块中的每一笔交易都是这棵树的每一片树叶，然后这每一片树叶都会有一个哈希值。现在树叶有了，连接树叶的必然就是树枝了，在员外这课默克尔树中，规定每个树枝只能分两个叉，每一个树枝都是它下面的两个树叶或者两个小树枝的哈希值，然后层层递归，到最后只剩下一个树根，这个树根就是最后的两个主树干的哈希值。

默克尔树结构的好处

在这颗数中，每个交易都可以单独删除，只需要保存好这笔交易的哈希值即可。这样一来，就可以极大的减小了每个区块的内存，可以存放更多的最新交易。所以在UTXO模型中，使用默克尔树结构，就无需担心数据的增长过大的问题了。