Hash-Baum / Merkle Tree – Definition und Erklärung

Ein Hash-Baum ist eine Datenstruktur, die in Informatikanwendungen verwendet wird. Bei Bitcoin und anderen Kryptowährungen dienen Hash-Bäume dazu, Blockchain-Daten effizienter und sicherer zu kodieren. Der Merkle Tree wird auch als „binärer Hash-Baum“ bezeichnet.

Was ist ein Hash-Baum in der Blockchain?

Ein Hash ist ein mathematisches Verfahren, das eine große Menge an Daten auf einen kleinen digitalen Fingerabdruck reduziert. In der Blockchain-Technologie werden Hashes zur Verkettung von Blöcken eingesetzt. Wenn ein Block einmal erstellt wurde, kann sein Inhalt nicht mehr verändert werden, da jede Veränderung zu einer Änderung des Hashes führen würde.

Der Hash-Baum ermöglicht es, dass man jede Änderung im Blockchain-Netzwerk nachverfolgen kann. Jeder Knoten im Baum repräsentiert einen Block, und jeder Eltern-Knoten repräsentiert den Hash des jeweiligen Kind-Knotens. Wenn ein Block geändert wird, wird der Hash dieses Blocks ebenfalls geändert, was eine Kette von Änderungen auslöst, die bis zur Wurzel des Baums zurückverfolgt werden kann.

Der Hash-Baum erhöht außerdem die Effizienz und Sicherheit von Blockchains, indem er es ermöglicht, dass man nur den Hash des gesamten Baums speichern muss, anstatt die Hashes aller einzelnen Blöcke. Dies reduziert die Datenmenge, die gespeichert werden muss, und erhöht die Geschwindigkeit bei der Überprüfung von Transaktionen.

Insgesamt ist der Hash-Baum ein wesentlicher Bestandteil der Blockchain-Technologie, der für die Effizienz, Sicherheit und Überprüfbarkeit von Kryptowährungen und anderen Anwendungen unerlässlich ist. Es ist ein wichtiger Faktor für die Bewertung der Integrität und Zuverlässigkeit von Blockchains, und es ist wichtig, dass man ein grundlegendes Verständnis davon hat, um die Funktionsweise und die Stärken dieser Technologie zu verstehen.

Anwendungsbeispiele für den Hash-Baum:

1. Kryptowährungen: Hash-Bäume werden in der Blockchain von Bitcoin und anderen Kryptowährungen verwendet, um sicherzustellen, dass alle Transaktionen gültig und unverändert sind.
2. Datensicherheit: Hash-Bäume können verwendet werden, um die Integrität von Datenbanken und Dateisystemen sicherzustellen.
3. Netzwerksicherheit: In Netzwerken werden Hash-Bäume verwendet, um sicherzustellen, dass alle Daten, die über das Netzwerk gesendet werden, unverändert bleiben.
4. Verifizierung von Dokumenten: Hash-Bäume können verwendet werden, um die Integrität von Dokumenten, wie z.B. Rechnungen und Lieferscheinen, zu überprüfen.
5. Verschlüsselung: Hash-Bäume können verwendet werden, um Passwörter oder andere geheime Informationen sicher zu verschlüsseln.
6. Überprüfung von Software-Updates: In der Softwareentwicklung können Hash-Bäume verwendet werden, um sicherzustellen, dass Software-Updates gültig und unverändert sind.
7. Inhaltsprüfung: Hash-Bäume werden auch in Content Delivery Networks (CDN) verwendet, um sicherzustellen, dass der Inhalt, der zu einem Benutzer geliefert wird, unverändert bleibt.

Hash-Baum genauer betrachtet

In der Blockchain von Bitcoin wird jeder Block von Transaktionen durch einen Algorithmus geschickt, um einen eindeutigen Hash zu generieren. Dieser Hash besteht aus Zahlen und Buchstaben und kann verwendet werden, um die Übereinstimmung eines gegebenen Datensatzes mit dem ursprünglichen Transaktionssatz zu überprüfen. Der Hash selbst enthält dabei keine Informationen über den ursprünglichen Inhalt der Transaktion.

Die Software von Bitcoin lässt jedoch nicht den gesamten Block von Transaktionsdaten – die im Durchschnitt Transaktionen im Wert von 10 Minuten darstellen – auf einmal durch die Hash-Funktion laufen. Vielmehr wird jede Transaktion gehasht, dann wird jedes Paar von Transaktionen verkettet und zusammen gehasht, und so weiter, bis es einen Hash für den gesamten Block gibt. (Bei einer ungeraden Anzahl von Transaktionen wird eine Transaktion verdoppelt und ihr Hash mit sich selbst verkettet).

Visualisiert ähnelt diese Struktur einem Baum, daher der Name Hash-Baum. Im untenstehenden Diagramm bezeichnet „T“ eine Transaktion, „H“ einen Hash. Man beachte, dass das Bild stark vereinfacht ist; ein durchschnittlicher Block enthält über 500 Transaktionen, nicht acht.

Die Hashes in der unteren Reihe werden als „Blätter“, die Zwischenhashes als „Zweige“ und die Hashes oben als „Wurzel“ des Hash-Baum bezeichnet. Die Merkle-Wurzel eines bestimmten Blocks wird in der Kopfzeile gespeichert: Die Merkle-Wurzel von Block #482819 lautet beispielsweise

e045b18e7a3d708d686717b4f44db2099aabcad9bebf968de5f7271b458f71c8 .

Der Stamm wird mit anderen Informationen kombiniert (die Software-Version, der Hash des vorherigen Blocks, der Zeitstempel, das Schwierigkeitsziel und die Nonce) und dann eine Hash-Funktion durchlaufen, um den eindeutigen Hash des Blocks zu erzeugen:

00000000000000000000bfc767ef8bf28c42cbd4bdbafd9aa1b5c3c33c2b089594

im Fall von Block #482819. Dieser Hash ist eigentlich nicht in dem betreffenden Block enthalten, sondern im nächsten; er unterscheidet sich von der Merkle-Wurzel.

Der Hash-Baum ist nützlich, weil er es Benutzern ermöglicht, eine bestimmte Transaktion zu verifizieren, ohne die gesamte Blockkette herunterzuladen (über 492 Gigabyte Anfang Februar 2023). Nehmen wir zum Beispiel an, man wolle verifizieren, dass die Transaktion TD in dem Block im obigen Diagramm enthalten ist. Wenn man den Root-Hash (HABCDEFGH) hat, ist der Vorgang wie ein Sudoku-Spiel: Man fragt das Netzwerk nach HD ab, und es gibt HC, HAB und HEFGH zurück. Mit dem Merkle-Baum lässt sich verifizieren, dass alles mit drei Hashes verbucht wird: Bei HAB, HC, HEFGH und dem Wurzelhash HABCDEFGH muss HD (der einzige fehlende Hash) in den Daten vorhanden sein.

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