Merkle Tree erklärt

23. Mai 2025 | 4 Minuten Lesezeit

Was ist ein Merkle-tree?

Ein Merkle-tree ist eine Datenverschlüsselungsstruktur, die in Datenmanagement-Anwendungen verwendet wird, bei denen Daten auf verschiedene Arten über einen Hash-Algorithmus geschickt werden, um einen Hash zu erzeugen, der alle Daten in einer Datei repräsentiert.

Die Bitcoin Blockchain und andere Blockchains nutzen Merkle trees, um Blockchain-Daten effizienter und sicherer zu codieren, indem einzelne Transaktionen und die daraus resultierenden Hashes zusammengehashed werden bis ein Hash entsteht, der Merkle-root genannt wird. Die Merkle-root wird verwendet, um den Blockhash zu erstellen, den einzigartigen Identifikationscode eines Blocks. Merkle-Bäume werden auch „binäre Hashbäume“ genannt.

Wichtigste Erkenntnisse

Merkle-Bäume sind eine strukturierte Methode, um Daten zu codieren für einfache Verifikation und bessere Sicherheit.
Blockchains verwenden Merkle trees, um Hashes zu erzeugen, die genutzt werden, um Transaktionen zu verifizieren und die Blöcke zu schützen.
Visuelle Darstellungen von Merkle trees sehen aus wie umgekehrte Bäume mit der Wurzel oben.
Die wiederholte Hashing-Technik, die in Blockchain-Merkle trees verwendet wird, ist eines der Mechanismen, die zur Unveränderlichkeit beitragen.

Merkle tree Beispiel

Ein Merkle-tree (oder Merkle-Baum) klingt kompliziert, aber eigentlich ist es einfach eine clevere Methode, große Mengen an Daten (wie Transaktionen) in einen einzigartigen Code (Hash) zusammenzufassen.

Stell dir vor: Du hast eine Einkaufsliste mit 1000 Sachen. Statt die ganze Liste zu schicken, machst du eine kurze, einzigartige Zusammenfassung. Und wenn auch nur ein Buchstabe auf der Liste sich ändert, ändert sich die Zusammenfassung komplett. Genau das macht ein Hash.

Ein Merkle-tree macht das nicht mit einer Liste, sondern mit tausenden kleinen Informationsstücken. Erst wird jedes Stück einzeln gehashed (verschlüsselt in einen Code), dann immer paarweise kombiniert und nochmal gehashed, und das geht so weiter, bis nur noch ein Hash übrig bleibt: die Merkle-root.

In der Bitcoin-Blockchain läuft das so:

Jede Transaktion wird gehashed.
Diese Hashes werden wieder gehashed, bis eine Merkle-root übrig bleibt.
Diese Merkle-root bildet zusammen mit anderen Infos den Hash des gesamten Blocks, quasi den „Fingerabdruck“ des Blocks.

So weißt du sicher, dass der Inhalt dieses Blocks stimmt. Wenn jemand nur eine Transaktion ändert, passt der ganze Baum nicht mehr und der Block ist ungültig.

Kurz gesagt:

Ein Merkle-tree ist so eine Art digitaler Baum, der hilft zu checken, ob alle Daten in einem Block stimmen – schnell, sicher und ohne dass man alles komplett anschauen muss.

Merkle-tree verstehen

Merkle trees sind nach dem Informatiker Ralph Merkle benannt, der das Konzept 1979 vorgestellt hat. In einem Merkle tree wird Information mit einer kryptografischen Hashfunktion codiert. Diese Funktion verwandelt Daten in eine Reihe von Zahlen und Buchstaben fester Länge, einen sogenannten Hash.

Wichtig bei einer Hashfunktion ist, dass dieselbe Eingabe immer denselben Hash ergibt, während es praktisch unmöglich ist, aus dem Hash die ursprünglichen Daten zurückzuholen. So kann man Dateien vergleichen, ohne den kompletten Inhalt sehen zu müssen.

In einem Merkle tree werden einzelne Datenstücke (z.B. Transaktionen) zuerst einzeln gehasht. Dann werden diese Hashes paarweise kombiniert und erneut gehasht. Das wiederholt sich, bis nur noch ein Hash übrig bleibt: die Merkle root. Diese Root repräsentiert alle darunterliegenden Daten als einen einzigen Hashwert.

Wenn jemand prüfen will, ob eine bestimmte Transaktion echt ist, muss er nicht den ganzen Block ansehen. Mit ein paar Zwischen-Hashes und der Merkle root kann schnell festgestellt werden, ob die Transaktion tatsächlich Teil des Blocks ist. Das ermöglicht schnelle und effiziente Datenverifikation, ohne die komplette Datenmenge runterladen oder verarbeiten zu müssen.

Merkle trees sind ein wichtiger Bestandteil vieler Blockchains wie Bitcoin, weil sie zur Integrität, Sicherheit und Effizienz des Systems beitragen.

Wie ein Merkle-tree in einer Blockchain benutzt wird

Merkle-Bäume müssen nicht zwingend in Blockchains genutzt werden, aber viele Blockchains verwenden diese Struktur. Außerdem können sie verschiedene Techniken innerhalb der Bäume einsetzen. Bitcoin ist wohl das bekannteste Beispiel, deswegen wird es hier genutzt.

Die Bitcoin-Software führt nicht den ganzen Block mit Transaktionsdaten auf einmal durch die Hashfunktion. Stattdessen wird jede Transaktion gehashed, dann werden Paare von Transaktionen zusammengefasst und gehashed, und so weiter, bis nur noch ein Hash für den ganzen Block übrig bleibt. Wenn es eine ungerade Anzahl Transaktionen gibt, wird eine Transaktion verdoppelt und ihr Hash mit sich selbst kombiniert. Wenn man das strukturierte Verfahren visualisiert, sieht es aus wie ein umgekehrter Baum.

Vorteile des Merkle-tree

Merkle trees sind super praktisch für Blockchains wie Bitcoin und das aus ein paar guten Gründen:

Schnelle Überprüfung von Transaktionen
Du musst nicht den ganzen Block oder die gesamte Blockchain downloaden, um zu checken, ob eine Transaktion stimmt. Mit ein paar Zwischen-Hashes und der Merkle root kannst du superschnell verifizieren, ob eine Transaktion echt ist. Das spart richtig viel Zeit und Speicherplatz.
Effizienter Umgang mit großen Datenmengen
Blockchains haben tausende Transaktionen pro Block. Dank Merkle trees werden die sauber und effizient in Schichten gehashed, sodass der ganze Block übersichtlich und leicht zu verarbeiten bleibt.
Datenintegrität
Wenn sich auch nur eine Transaktion ändert, ändert sich die Root Hash und damit der ganze Merkle tree. Dadurch fällt Betrug oder Manipulation sofort auf. Die Struktur sorgt also dafür, dass alles gut kontrolliert werden kann.
Einfach für Light Nodes
Light Clients müssen nicht die ganze Blockchain speichern. Sie können über Merkle-Proofs trotzdem checken, ob eine Transaktion stimmt, ohne alle Daten runterzuladen.

Kurz gesagt: Merkle trees machen Blockchains schneller, leichter und sicherer. Ziemlich clever.

Wofür wird ein Merkle tree benutzt?

Merkle trees werden in Systemen verwendet, wo man effizient und sicher prüfen will, ob Daten stimmen. In Blockchains nutzt man einen Merkle tree, um alle Transaktionen in einem Block in einem Hash zusammenzufassen: der Merkle root. Diese Merkle root landet im Header des Blocks und wird am Ende genutzt, um den einzigartigen Blockhash zu erstellen.

Mit dieser Struktur kannst du später leicht beweisen, ob eine bestimmte Transaktion in einem Block ist oder nicht, ohne den ganzen Block runterladen zu müssen. Das macht Merkle trees ideal für Light Clients, digitale Signaturen und Datenstrukturen, bei denen Zuverlässigkeit und Kontrolle wichtig sind.

Wie groß kann ein Merkle-tree werden?

Die Größe eines Merkle-trees hängt davon ab, wie viele Daten gehashed werden und wie die Blockchain programmiert ist. Die Merkle-tree eines Blocks nimmt aber nicht viel Speicher auf der Blockchain ein. Zum Beispiel hatte Bitcoin-Block 854.473 etwa 2.530 Transaktionen und der Hash jeder Transaktion ist 64 Bytes groß. Die Merkle-tree dieses Blocks nahm also 161,92 Kb von insgesamt 1,54 Mb des Blocks ein.

Warum benutzt Bitcoin Merkle-Bäume?

Bitcoin nutzt Merkle-Bäume, weil sie eine effiziente Methode sind, Transaktionen zu verifizieren und helfen, die Informationskette zu erstellen, die die Blöcke miteinander verbindet.

Fazit

Ein Merkle-tree ist eine Datenstruktur, in der gehashte Daten genutzt werden, um einen weiteren Hash zu erzeugen, der die Daten in einer Datei repräsentiert. Diese Struktur macht es für Computer leicht, Informationen zu vergleichen, weil es nur wenige Millisekunden dauert, Hashes basierend auf den Daten zu erzeugen und zu prüfen, ob die Ergebnisse identisch sind.

Merkle-Bäume sind auch einer der Mechanismen, mit denen Blöcke in einer Blockchain verbunden werden können. Wenn Daten verändert werden, ändert sich der resultierende Hash, wodurch der vorgeschlagene Block vom Konsensmechanismus der Blockchain abgelehnt wird.