TU Darmstadt / ULB / TUbiblio

Blockchain Scalability through Secure Optimistic Protocols

Eckey, Lisa (2020):
Blockchain Scalability through Secure Optimistic Protocols. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00014041,
[Ph.D. Thesis]

Abstract

The digital currency Bitcoin has become a popular payment technology since its invention in 2008. Countless other projects have adopted and expanded the functionality of the underlying blockchain technology. These so-called cryptographic currencies allow users to send financial transactions over a decentralized global network. Some of these currencies even support payments that are based on complex conditions, also called smart contracts. The biggest obstacle to the practical use of cryptographic currencies is their limited scalability. Without a solution to this problem, blockchain technology cannot support the continuously growing user base or compete with centralized payment providers. This thesis presents three approaches to scaling that increase the number of transactions or enable a cheaper and faster execution of smart contracts. The first contribution of this thesis is the Perun protocol, which allows a network of users to send a large number of microtransactions at no cost. For this purpose, all users of the system open a so-called payment channel once and use it to send off-chain transactions without costs or delays. We will also show how to combine these channels in an off-chain manner to so-called virtual channels that connect even more users. The next contribution of this dissertation is the FairSwap protocol, which aims at reducing the costs for the secure sale of large digital goods. It improves the scalability of such “fair exchange” protocols by reducing both the storage requirements and the complexity of the underlying smart contracts. We then present another protocol called FastKitten, which uses a Trusted Execution Environment (TEE) to secure the off-chain execution of smart contracts. A TEE provides a secure runtime environment in which programs are executed safely and correctly. This allows an operator to execute the smart contracts on inputs from the users off-chain, which makes the execution much faster and cheaper for all participants. To guarantee the security of these protocols, each construction is accompanied by detailed formal security definitions and cryptographic proofs. Furthermore, we demonstrate the efficiency of the protocols by implementing and analyzing the costs of each protocol.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2020
Creators: Eckey, Lisa
Status: Publisher's Version
Title: Blockchain Scalability through Secure Optimistic Protocols
Language: English
Abstract:

The digital currency Bitcoin has become a popular payment technology since its invention in 2008. Countless other projects have adopted and expanded the functionality of the underlying blockchain technology. These so-called cryptographic currencies allow users to send financial transactions over a decentralized global network. Some of these currencies even support payments that are based on complex conditions, also called smart contracts. The biggest obstacle to the practical use of cryptographic currencies is their limited scalability. Without a solution to this problem, blockchain technology cannot support the continuously growing user base or compete with centralized payment providers. This thesis presents three approaches to scaling that increase the number of transactions or enable a cheaper and faster execution of smart contracts. The first contribution of this thesis is the Perun protocol, which allows a network of users to send a large number of microtransactions at no cost. For this purpose, all users of the system open a so-called payment channel once and use it to send off-chain transactions without costs or delays. We will also show how to combine these channels in an off-chain manner to so-called virtual channels that connect even more users. The next contribution of this dissertation is the FairSwap protocol, which aims at reducing the costs for the secure sale of large digital goods. It improves the scalability of such “fair exchange” protocols by reducing both the storage requirements and the complexity of the underlying smart contracts. We then present another protocol called FastKitten, which uses a Trusted Execution Environment (TEE) to secure the off-chain execution of smart contracts. A TEE provides a secure runtime environment in which programs are executed safely and correctly. This allows an operator to execute the smart contracts on inputs from the users off-chain, which makes the execution much faster and cheaper for all participants. To guarantee the security of these protocols, each construction is accompanied by detailed formal security definitions and cryptographic proofs. Furthermore, we demonstrate the efficiency of the protocols by implementing and analyzing the costs of each protocol.

Place of Publication: Darmstadt
Collation: xviii, 218 Seiten
Divisions: 20 Department of Computer Science
20 Department of Computer Science > Angewandte Kryptographie
Date Deposited: 16 Dec 2020 15:18
DOI: 10.25534/tuprints-00014041
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/14041
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-140412
Referees: Faust, Prof. Dr. Sebastian ; Maffei, Prof. Dr. Matteo
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 24 April 2020
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language

Die digitale Währung Bitcoin hat sich seit ihrer Erfindung im Jahr 2008 zu einer populären Zahlungstechnologie entwickelt. Das hohe Interesse an der zugrundeliegenden Blockchain-Technologie wird vor allem durch die zahlreichen Projekte verdeutlicht, die in den letzten zehn Jahren die Funktionalität von Bitcoin übernommen und erweitert haben. Diese so genannten kryptographischen Währungen ermöglichen es, den Benutzern, finanzielle Transaktionen über ein globales, dezentralisiertes Netzwerk zu versenden. Einige dieser digitalenWährungen ermöglichen sogar Zahlungen, die an komplexe Bedingungen geknüpft werden, welche durch sogenannte Smart Contracts beschrieben werden. Das größte Hindernis für den praktischen Einsatz von kryptographischenWährungen ist ihre mangelnde Skalierbarkeit. Ohne eine Lösung für dieses Problem kann die Blockchain Technologie die ständig steigenden Nutzerzahlen nicht unterstützen und nicht mit zentralisierten Zahlungsanbietern konkurrieren. In dieser Arbeit werden drei Lösungsansätze zur Skalierung vorgestellt, die es ermöglichen viele Transaktionen und komplexe Smart Contracts günstiger und schneller zu abzuwickeln. Der erste Beitrag dieser Arbeit ist das Perun-Protokoll, das es einem Netzwerk von Nutzern erlaubt, eine große Anzahl von Mikrotransaktionen kostenlos zu versenden. Zu diesem Zweck öffnen alle Benutzer des Systems einmalig einen sogenannten Zahlungskanal und nutzen diesen, um Zahlungen zwischen den Nutzern direkt und ohne Kosten oder Verzögerungen auszuführen. Das Perun Protokoll ermöglicht es außerdem diese Kanäle ohne Blockchain Interaktionen zu so genannten virtuellen Kanälen zu kombinieren, die noch mehr Nutzer verbinden. Der nächste Beitrag dieser Dissertation ist das FairSwap-Protokoll, das zum Ziel hat die Kosten für den sicheren Verkauf von großen digitalen Gütern zu senken. Dabei wird die Skalierbarkeit solcher “Fair Exchange”-Protokolle verbessert indem sowohl der Speicherbedarf als auch die Komplexität der zugrundeliegenden Smart Contracts reduziert wird. Der dritte Beitrag dieser Dissertation ist ein Protokoll namens FastKitten, das Trusted Execution Environments (TEEs) verwendet, um die off-chain Ausführung von Smart Contracts abzusichern. TEEs bieten eine abgesicherte Laufzeitumgebung in denen Programme sicher und korrekt ausgeführt werden. Sie erlauben es einem sogenannten Operator, die Smart Contracts auf der Grundlage von Eingaben der Benutzer lokal auszuführen und damit Kosten und Laufzeiten senkt. Formale Sicherheitsdefinitionen und kryptographische Beweise garantieren die Sicherheit der entwickelten Protokolle. Des Weiteren zeigen wir die Effizienz der Protokolle indem wir eine Implementierung anfertigen und analysieren.

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