什麼是 Merkle 樹？它如何實現 Proof of Reserves？

Merkle 樹是一種基礎密碼學結構，在區塊鏈技術中提供透明的驗證機制，尤其在 Proof of Reserves 協議中扮演關鍵角色。本文將深入說明 Merkle 樹的運作原理，包括重要的 merkle root 組件，以及它們在確保加密貨幣儲備安全與透明上的核心功能。

首先，什麼是「雜湊」？

雜湊是一組獨特且不可變的字母與數字組合，由任意長度的資料集產生。在區塊鏈技術中，資料集規模可以無限擴展。雜湊函數是區塊鏈密碼安全架構的基礎。

透過密碼學雜湊函數，每個新加入的區塊都與前一區塊緊密關聯。此函數將區塊內的交易資料產生唯一字串，任何更動都必須同步改變前一區塊的雜湊值及整個區塊鏈歷史。這樣便形成不可竄改的鏈條，資料集的任何變動都會徹底改變其雜湊值。

雜湊函數具備單向性——資料一旦轉換為雜湊，便無法反推回原始資料。這項密碼學特性讓區塊鏈具備防竄改、抗解密的能力。每個區塊都與前後區塊緊密相連，形成不可分割的信任鏈。

例如，交易雜湊（Tx Hash）是由加密貨幣交易產生的唯一識別碼，用來證明該交易已被驗證並寫入區塊鏈。這個識別碼成為永久記錄，且網路上的任何人都能驗證。

那麼，什麼是 Merkle 樹？

Merkle 樹由 Ralph Merkle 於 1979 年取得專利，是一種分層雜湊結構，可高效驗證去中心化網路中的資料完整性。點對點網路發生交易時，所有區塊鏈變更都須由網路參與者共同達成一致。

沒有交易雜湊函數時，網路需頻繁驗證區塊鏈上的所有交易，效率極低。Merkle 樹透過分層雜湊結構有效解決此問題。

可類比於冰淇淋店計算每月盈虧。若某筆付款有誤，傳統手工記帳必須重算本月後續所有項目。密碼學雜湊函數則如同 Excel 或財務軟體，數字一有變動即時更新總帳，無需手動修改全部帳本。

但在區塊鏈中，變更的交易雜湊會轉化為另一組隨機序列，反映交易變化。資料被轉為隨機的字母數字序列（雜湊），並與區塊鏈交易連結，從而構成雜湊樹或 Merkle 樹。

Merkle 樹能迅速驗證點對點網路中電腦間的資料傳輸，確保區塊在節點間傳送時未遭竄改或損毀。在加密貨幣系統中，Merkle 樹由葉節點組成，這些節點是代表區塊資料（如區塊鏈交易）的雜湊值。樹頂端的節點則是子節點雜湊值的組合。

例如，Hash 1 是底下兩個雜湊值的組合：Hash 1 = Hash(hash 1-0 + Hash 1-1)。樹的頂端為 merkle root，也稱為 Top Hash。merkle root 允許雜湊樹的任意部分可從非信任來源（如點對點網路）取得。

接收到的分支代表區塊鏈上的新交易，可與可信的 merkle root 驗證，以判斷雜湊是否遭惡意竄改。無需傳送整個檔案，只要傳送檔案雜湊並與 merkle root 校驗，即能確認資料未被破壞。此機制奠定了加密貨幣的去信任架構。

什麼是 Proof of Reserves？

在傳統金融會計系統中，記帳系統由帳本、憑證和資產負債表構成，並由第三方審計機構查核與驗證。去中心化平台則沒有第三方審計或人工對帳，因而產生信任與驗證等關鍵問題。

當使用者將加密貨幣存入交易平台時，須確保其存款一直安全且未被挪用。即使有區塊鏈瀏覽器，但歷史上透明度仍不足以防範惡意行為。解決方案為結合 Merkle 樹與 Proof of Reserves 協議。

為減少使用者對中心化平台加密資產安全的疑慮，多家交易所推出了 Proof of Reserves 協議。Proof of Reserves 是一份加密資產報告，確保託管方實際持有其所宣稱的使用者資產。

Merkle 樹透過兩大核心方式實現此證明：一是使用者可在樹中查詢自身餘額，確認資產包含於交易所總餘額；二是將交易所總餘額與公開鏈上錢包餘額比對，驗證 Proof of Reserves 狀態。

借助 Merkle 樹展示不可竄改的交易資料，並利用密碼學雜湊機制及 merkle root 驗證流程證明資料未遭竄改，使用者可確信資產以 1:1 方式託管。此架構以數學原理建立信任，取代第三方審計。

結論

Merkle 樹是一項革命性密碼學結構，為區塊鏈系統帶來透明、高效的資料驗證能力。透過以 merkle root 為頂點的分層雜湊結構，可快速驗證資料完整性，無須檢查整個區塊鏈歷史。merkle root 是終極驗證點，能實現樹結構內所有交易的去信任確認。結合 Proof of Reserves 協議，Merkle 樹為加密貨幣使用者帶來資產 1:1 安全託管的數學保障。這種去信任驗證架構徹底改變資產驗證方式，從對中心化機構的盲目信任轉向基於 merkle root 的透明密碼學證明。隨著加密貨幣產業持續發展，Merkle 樹、merkle root 技術及 Proof of Reserves 將持續成為保障去中心化金融系統透明、安全與信任的核心工具。

FAQ

Merkle 樹與 merkle root 有何差異？

Merkle 樹是一種高效驗證的二元資料結構，merkle root 則是樹頂端的唯一雜湊值，用於驗證所有葉節點。

如何計算 merkle root？

先對葉節點進行雜湊，然後兩兩配對並向上雜湊，最後剩下的唯一雜湊值即為 merkle root。

Merkle 的主要用途是什麼？

Merkle 用於區塊鏈及 P2P 網路的高效資料驗證，確保資料完整性，並證明資料已被納入更大資料集。

區塊鏈中的 merkle root 有什麼作用？

區塊鏈中的 merkle root 將區塊資料匯總為一個雜湊，確保資料完整性，並支援高效驗證區塊內容，無需處理全部交易。