árbol de Merkle

¿Qué es un Merkle tree?

Un Merkle tree es una estructura de datos que agrupa múltiples registros en un solo valor superior, denominado Merkle root, mediante hash jerárquico. Su función principal es verificar de forma eficiente si un dato concreto está incluido en un conjunto. Como “huella digital maestra” de los datos, un Merkle tree permite comprobar inclusiones con información mínima, siempre que la root sea fiable.

Una función hash actúa como un “generador de huellas digitales de datos”: la misma entrada siempre produce la misma salida, y cualquier cambio, por pequeño que sea, genera una huella completamente distinta. En un Merkle tree, cada dato se hashea para formar un nodo hoja, y estos hashes se combinan de forma recursiva para crear los hashes de los nodos padre, hasta obtener la root.

¿Por qué son importantes los Merkle trees en blockchain?

Los Merkle trees permiten verificar fácilmente si una transacción está incluida en un bloque, sin descargar todos los datos del bloque. Light nodes, que solo almacenan los headers de bloque, utilizan pruebas Merkle para este fin, en un proceso conocido como Simplified Payment Verification (SPV).

En las blockchains públicas, tanto el ancho de banda como el almacenamiento son recursos limitados. Gracias a los Merkle trees, los validadores solo necesitan la Merkle root guardada en el header del bloque y una ruta de autenticación breve para confirmar la inclusión, lo que reduce notablemente los costes operativos. Este sistema también es fundamental en proof-of-reserves de exchanges, whitelists de airdrop y la verificación de integridad de datos en Rollup.

¿Cómo funcionan los Merkle trees?

Los Merkle trees se basan en tres propiedades clave de las funciones hash: irreversibilidad, resistencia a colisiones y sensibilidad a pequeños cambios de entrada. Primero, los datos se hashean en nodos hoja. Después, los pares de hashes se concatenan y se hashean de nuevo para formar los nodos padre. Este proceso se repite hasta que queda un solo hash: la Merkle root.

Para comprobar si un dato está incluido, solo se necesitan los “hashes hermanos” en su ruta. Desde el hash del dato objetivo, el verificador lo combina secuencialmente con cada hash hermano y recalcula hacia arriba; si el resultado final coincide con la Merkle root publicada, la inclusión queda confirmada. Como en cada nivel solo se procesa un hash hermano, el coste de verificación crece de forma logarítmica respecto al tamaño de los datos (habitualmente O(log n)).

¿Cómo se genera la Merkle root?

El proceso de generación de una Merkle root es el siguiente:

Paso 1: Hashear cada dato por separado. Los datos deben “normalizarse” (por ejemplo, codificación coherente y eliminación de espacios adicionales) para evitar que diferencias de formato generen hashes distintos para el mismo contenido.

Paso 2: Concatenar los hashes adyacentes en un orden fijo y hashearlos para formar los nodos padre. Mantener el orden es esencial para que los verificadores puedan reproducir la misma root.

Paso 3: Repetir el paso 2 hasta que solo quede un hash: la Merkle root. Si hay un número impar de hojas en algún nivel, la implementación puede “conservar” o “duplicar” el último hash según la especificación.

Paso 4: Registrar la “ruta de hashes hermanos” de cada hoja hasta la root; esta ruta constituye la prueba Merkle utilizada para futuras verificaciones.

En Bitcoin se emplea normalmente doble SHA-256 (hashear dos veces los valores concatenados). En Ethereum, el estándar es Keccak-256. Es fundamental elegir una función hash segura.

¿Cómo funciona la Merkle proof?

Una Merkle proof es la lista de hashes hermanos desde la hoja hasta la root. Solo se necesitan esta ruta y la root para verificar, no todos los datos.

Paso 1: El verificador hashea el dato objetivo para obtener su valor hoja.

Paso 2: Según el orden indicado, ese hash hoja se concatena con el primer hash hermano y se hashea para obtener el nodo padre.

Paso 3: Este proceso se repite con cada hash hermano subsiguiente a lo largo de la ruta, recalculando hacia arriba en el árbol.

Paso 4: El valor final se compara con la Merkle root pública. Si coinciden, la inclusión queda confirmada; si no, el dato no forma parte del conjunto o la prueba es inválida.

Como solo se procesa un hash hermano por nivel, la longitud de la prueba es proporcional a la altura del árbol. La verificación sigue siendo eficiente incluso con grandes conjuntos de datos, por lo que es adecuada para navegadores, móviles e incluso smart contracts.

¿Cómo se usan los Merkle trees en Bitcoin y Ethereum?

En Bitcoin, cada header de bloque contiene la Merkle root de sus transacciones. Los usuarios pueden descargar solo el header y la ruta de autenticación necesaria para usar SPV y verificar que una transacción concreta está incluida, sin descargar el bloque completo. Bitcoin emplea doble SHA-256 y mantiene este diseño desde sus inicios.

En Ethereum, cada header de bloque almacena transactionsRoot, receiptsRoot y stateRoot. Estos usan árboles Patricia (un diccionario Merkelizado comprimido por prefijo) para guardar el estado, las transacciones y los recibos. Aplicaciones externas pueden emplear pruebas de ruta para confirmar que transacciones o logs concretos están incluidos; estas roots y pruebas son la base de la mensajería cross-chain, light clients y servicios de indexación.

¿Cómo se usan los Merkle trees en la proof-of-reserves y whitelists de airdrop de Gate?

En la proof-of-reserves de exchanges, se suele agrupar los hashes de saldos de usuarios en una única Merkle root mediante un Merkle tree y proporcionar a los usuarios su propia prueba Merkle. Así, los usuarios pueden descargar su prueba y verificar que el “hash de cuenta y saldo” está incluido usando la root publicada, sin acceder a los datos de otros usuarios. En el sistema de proof-of-reserves de Gate, normalmente basta con comprobar la root y la ruta propia, equilibrando privacidad y verificabilidad.

En whitelists de airdrop, los equipos agrupan listas de direcciones en una Merkle root y despliegan ese valor en un smart contract. Durante el proceso de claim, los usuarios envían su dirección y prueba Merkle; el contrato verifica on-chain que la ruta coincide con la root almacenada antes de permitir el claim. Este método reduce drásticamente el almacenamiento y las comisiones on-chain, asegurando que la lista no pueda ser alterada de forma unilateral.

¿Cuál es la diferencia entre un Merkle tree y un Patricia tree?

Ambas estructuras usan hashing para garantizar la integridad, pero su diseño y casos de uso son distintos. Un Merkle tree es una “huella digital maestra” para un lote de datos, combinando pares hasta una sola root; un Patricia tree es un “diccionario clave-valor comprimido por prefijo” que permite búsquedas y actualizaciones eficientes por ruta, ideal para gestionar estados de cuenta mutables.

Ethereum usa Patricia trees porque necesita búsquedas y actualizaciones eficientes de claves (dirección o slot de almacenamiento) junto con roots verificables. En cambio, los Merkle trees estándar son óptimos para colecciones estáticas publicadas de una vez, como todas las transacciones de un bloque, una whitelist de airdrop o la verificación de fragmentos de archivo.

¿Cuáles son los riesgos y problemas habituales al usar Merkle trees?

La elección de la función hash es crítica; debe resistir colisiones y ataques de preimagen. Usar algoritmos hash obsoletos o débiles puede permitir a atacantes crear conjuntos de datos diferentes que generen la misma root, comprometiendo la integridad.

La normalización y el orden de los datos suelen pasarse por alto. Variaciones en la codificación, mayúsculas/minúsculas o espacios extra pueden provocar que datos “idénticos” generen hashes distintos; un orden inconsistente impide que los participantes reconstruyan la misma root e invalida las pruebas.

También hay que considerar la privacidad y la posible filtración de información. Aunque las pruebas Merkle suelen revelar solo los hashes de la ruta, en algunos casos (como pruebas de saldo), la ausencia de salting o anonimización puede exponer información sensible. Es habitual añadir salts o hashear solo digests, no datos en bruto, en las hojas.

Sobre la seguridad de fondos: formar parte de la proof-of-reserves de un exchange no garantiza la solvencia global de la plataforma; los usuarios deben considerar también los pasivos, fondos on-chain e informes de auditoría antes de tomar decisiones financieras. Evalúe siempre tanto los riesgos de la plataforma como los on-chain antes de actuar.

Puntos clave sobre los Merkle trees y próximos pasos

Los Merkle trees usan hashing para agrupar grandes volúmenes de datos en una sola root, lo que permite verificaciones de inclusión muy eficientes con información mínima. Son infraestructura esencial para light nodes de blockchain, mensajería cross-chain, airdrops y sistemas proof-of-reserves. Dominar sus propiedades, reglas de construcción y rutas de prueba es clave para su uso avanzado.

Para aprender de forma práctica: empiece generando una Merkle root localmente con un conjunto de datos pequeño y cree/verifique una ruta de autenticación para una entrada; después consulte exploradores de bloques para ver las Merkle roots de headers de bloques de Bitcoin o las transactionsRoot/receiptsRoot de Ethereum; finalmente, integre lógica de verificación en smart contracts o aplicaciones front-end. Así, paso a paso, comprenderá por qué los Merkle trees son eficientes, fiables y omnipresentes en Web3.

FAQ

¿Cómo verifica exactamente un Merkle tree los datos?

Un Merkle tree verifica los datos mediante la agregación jerárquica de valores hash. Cada bloque de datos recibe su propio hash; los hashes adyacentes se combinan y se hashean de nuevo capa a capa, formando una estructura triangular invertida que da lugar a una Merkle root única. Si se modifica cualquier dato, la Merkle root cambia por completo, lo que permite detectar discrepancias de inmediato.

¿Por qué los light wallets pueden verificar transacciones sin descargar bloques completos?

Los light wallets emplean pruebas Merkle: solo almacenan los headers de bloque con la Merkle root. Solicitando transacciones concretas y sus rutas Merkle a nodos completos, y comprobando si el hash ascendente de la cadena reproduce la root publicada, el wallet puede confirmar la autenticidad de la transacción sin guardar gigabytes de datos de blockchain.

¿Por qué usar un Merkle tree para la whitelist de airdrop de Gate en vez de guardar las direcciones directamente?

Guardar whitelists completas directamente en smart contracts requiere mucho espacio y es costoso e ineficiente. Con un Merkle tree solo se almacena una root de 32 bytes on-chain; al participar en un airdrop, los usuarios envían su dirección y ruta de autenticación, de modo que los contratos pueden verificar la elegibilidad de manera eficiente, ahorrando costes y protegiendo la privacidad.

¿Qué ocurre si se manipula el hash de un nodo intermedio en un Merkle tree?

Si se altera el hash de un nodo intermedio, todos los hashes de los nodos superiores cambian, modificando la Merkle root. Esta manipulación se detecta de inmediato porque la root resultante no coincide durante la verificación. Esta inmutabilidad es la base de la seguridad anti-manipulación de los Merkle trees: incluso los cambios más pequeños se identifican al instante.

¿Se utilizan los Merkle trees para la gestión de direcciones de wallet?

Los Merkle trees se emplean principalmente para verificar la integridad de datos y crear pruebas compactas, no para la gestión directa de direcciones de wallet. Sin embargo, algunos wallets multifirma o diseños de wallets deterministas jerárquicos pueden usar Merkle trees para organizar o validar la legitimidad de claves derivadas, garantizando transparencia y verificación en el proceso de derivación de claves.