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憑默克尔树与比特币的存储优化技术

在1980年4月由IEEE计算机协会举办的安全和隐私研讨会上，拉尔夫·默克尔(Ralph Merkle)在《公钥密码系统的协议》(Protocols for public key cryptosystems)中首次提出了“默克尔树”(Merkle tree)的概念。这种树状结构以密码学哈希函数为核心，将数据组织成一条从根到叶子的哈希链条，成为区块链技术中实现数据可验证删除的关键技术。

憑默克尔树的结构与原理

默克尔树是一种二叉树，采用满二叉树结构，确保每一层节点都有两个子节点。树的根是通过其两个子节点的拼接哈希值计算得出的，子节点则通过其下级节点的拼接哈希值计算得出，直至叶子节点。叶子节点的哈希值是原始数据的哈希值。

在比特币网络中，默克尔树的哈希函数采用SHA-256算法。这种结构特点是：对原始数据的篡改会导致路径上的哈希值发生改变，从而通过根节点的哈希值进行验证，可以在不存储原始数据的情况下证明交易的存在性，这种验证方法被称为“默克尔证明”。

憑默克尔树在比特币中的应用

在比特币网络中，区块头的存储优化是通过默克尔树实现的。区块头包含工作量证明（如Hash Rate）和最终的根哈希值。随着时间的推移，旧区块的交易数据可以通过删除默克尔树的分支来压缩，而不影响区块头的哈希值，从而节省存储空间。

中本聪在比特币白皮书中详细分析了这一优化方案。他指出，区块头的大小约为80字节，每10分钟生成一个新区块，年存储量可达约4.2MB。即使存储在现代计算机的内存中，这个规模也是可接受的。

存储优化的可行性评估

中本聪还对存储需求进行了具体计算。他指出，仅需存储区块头的哈希值即可满足需求，这大大降低了数据存储的压力。根据预测，未来几年的存储需求也不会超出现代计算机的处理能力。

这种存储优化技术不仅提升了网络的运行效率，也为区块链的可扩展性提供了重要支持。

【未完待续】