關(guān)于區(qū)塊鏈如何保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性的問(wèn)題，是我在區(qū)塊鏈研習(xí)社里的第四次課程，由于一致性問(wèn)題涉及到區(qū)塊的結(jié)構(gòu)以及與區(qū)塊鏈的不可篡改這個(gè)重要特性，因此這一課對(duì)大家深入了解區(qū)塊鏈技術(shù)非常重要，我也有必要將之前課程的內(nèi)容進(jìn)行整理，同時(shí)再結(jié)合更詳細(xì)的說(shuō)明，供大家學(xué)習(xí)。

1、什么是哈希

如果你懂一些編程，相信對(duì)這個(gè)概念非常熟悉。但是對(duì)于一些沒(méi)有編程基礎(chǔ)的人而言，對(duì)其卻相當(dāng)陌生，陌生到買(mǎi)了一本區(qū)塊鏈的書(shū)籍卻完全看不下去。哈希函數(shù)在區(qū)塊鏈里使用得太普遍，以至于它所有對(duì)用戶(hù)展示的內(nèi)容，比如地址，公鑰，私鑰等，都是通過(guò)哈希函數(shù)生成的，所以在這里有必要重點(diǎn)對(duì)這個(gè)概念闡述一下，即便懂得編程，聽(tīng)過(guò)這個(gè)概念，希望你也能再看一遍，就當(dāng)是回顧了。

哈希，英文對(duì)應(yīng)為Hash，一般說(shuō)的都是哈希函數(shù)，百度百科的解釋是：

Hash，一般翻譯做“散列”，也有直接音譯為“哈?！钡?，就是把任意長(zhǎng)度的輸入（又叫做預(yù)映射， pre-image），通過(guò)散列算法，變換成固定長(zhǎng)度的輸出，該輸出就是散列值。這種轉(zhuǎn)換是一種壓縮映射，也就是，散列值的空間通常遠(yuǎn)小于輸入的空間，不同的輸入可能會(huì)散列成相同的輸出，所以不可能從散列值來(lái)唯一的確定輸入值。簡(jiǎn)單的說(shuō)就是一種將任意長(zhǎng)度的消息壓縮到某一固定長(zhǎng)度的消息摘要的函數(shù)。

簡(jiǎn)單來(lái)講，就是將一個(gè)較長(zhǎng)的字符串a(chǎn)轉(zhuǎn)換為一個(gè)固定長(zhǎng)度的字符串b，然后用b這個(gè)串去代表之前的a，比如一個(gè)比特幣地址1DQe9F3agsDcr4qoTZ3Sush4e88Nv9tNxa，就是一個(gè)哈希值。經(jīng)過(guò)哈希轉(zhuǎn)換后，無(wú)法通過(guò)b還原出原來(lái)的a。

哈希算法在文件校驗(yàn)、數(shù)字簽名及鑒權(quán)協(xié)議都有很好的應(yīng)用。在Java編程里，可直接通過(guò)hashCode函數(shù)獲取一個(gè)字符串的哈希值，哈希算法是一個(gè)非常高效的算法，所以使用非常頻繁。

2、簡(jiǎn)單的判斷一致性方法

你應(yīng)該經(jīng)常下載過(guò)東西，可能對(duì)一個(gè)文件重復(fù)下載了兩次，甚至現(xiàn)在還會(huì)不小心在一些釣魚(yú)網(wǎng)站下載了一些惡意程序，那么你是如何判斷文件的一致性以及識(shí)別程序是否有問(wèn)題呢？

你可能想到的方法有：1）比較文件大小，如果不一致，則說(shuō)明是不同的文件；2）查看文件內(nèi)容，但是并不是所有的程序都是文本可讀的；3）查看文件的一些標(biāo)注信息是否一致，等等。但是這些方法都相當(dāng)初級(jí)，對(duì)于一些高級(jí)的作弊手段無(wú)法識(shí)別，正因如此，一些良心網(wǎng)站都會(huì)提示比較文件的MD5值，很多細(xì)心的朋友應(yīng)該能發(fā)現(xiàn)這個(gè)提示，但是基本也很少按照這個(gè)提示去做，畢竟我們大部分人都習(xí)慣了在網(wǎng)上“裸奔”。

上面提到的MD5，就是一種被廣泛使用的哈希函數(shù)?，F(xiàn)在越來(lái)越多的網(wǎng)站都會(huì)公布文件的MD5值，用戶(hù)在下載文件后可自己進(jìn)行運(yùn)算并進(jìn)行比對(duì)，如果一致則說(shuō)明所下載文件沒(méi)被篡改過(guò)。

由于工作需要，這兩天我準(zhǔn)備下載一個(gè)mangodb，這是下載頁(yè)面的截圖，通過(guò)截圖大家應(yīng)該能有一個(gè)直觀(guān)的認(rèn)識(shí)：

當(dāng)然MD5只是哈希算法的一種，上面的截圖還顯示了其他支持的方法，不過(guò)這些都是使用哈希算法的特性用于校驗(yàn)文件的一致性的。

3、區(qū)塊鏈如何保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性——默克樹(shù)

下面這個(gè)圖是比特幣的區(qū)塊結(jié)構(gòu)圖，它相當(dāng)重要以至于每一本區(qū)塊鏈書(shū)籍都會(huì)介紹，也希望每一個(gè)研習(xí)社的朋友能掌握：

在上表的第三行“Merkle樹(shù)的根值”正是一個(gè)哈希值，和上面提到的一樣，區(qū)塊鏈技術(shù)正是利用這個(gè)哈希值來(lái)判斷區(qū)塊的數(shù)據(jù)是否被篡改過(guò)的。

但是，事情可能還沒(méi)想的那么簡(jiǎn)單。因?yàn)橐粋€(gè)區(qū)塊可能包含幾百個(gè)甚至更多的交易，其內(nèi)容會(huì)非常多，對(duì)整體進(jìn)行哈希運(yùn)算效率是非常低下的，因此，才會(huì)出現(xiàn)上圖大家可能還相對(duì)陌生的詞“Merkle樹(shù)”，翻譯為默克樹(shù)，這才是保持一致性的關(guān)鍵。

默克樹(shù)，全稱(chēng)“默克爾哈希樹(shù)”，是一種二叉或多叉的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)每一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行哈希計(jì)算，并不斷往上遞歸，最后構(gòu)建成一個(gè)樹(shù)形結(jié)構(gòu)。因此默克樹(shù)是一種被廣泛用于快速歸納和對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性校驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

在比特幣的實(shí)現(xiàn)中，不用保存每一個(gè)交易的哈希值，而是將所有交易構(gòu)建成這樣一個(gè)默克樹(shù)，并以樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)的哈希值作為所有交易內(nèi)容的一個(gè)映射，存放于區(qū)塊的頭部結(jié)構(gòu)中，從而在保證數(shù)據(jù)完整性，防止被惡意篡改的同時(shí)，極大減少了運(yùn)算量，提高了運(yùn)算效率，而且，如果一旦被篡改，還能進(jìn)行快速定位。簡(jiǎn)直是妙不可言！

下面是一張默克樹(shù)的圖，大家姑且看之，不懂也無(wú)所謂，全當(dāng)欣賞：