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Main Title: On the scalability, resilience, and privacy of decentralized blockchain networks
Translated Title: Über die Skalierbarkeit, Widerstandsfähigkeit und den Datenschutz von dezentralen Blockchain-Netzwerken
Author(s): Rohrer, Elias
Advisor(s): Tschorsch, Florian
Referee(s): Tschorsch, Florian
Schmid, Stefan
Hartenstein, Hannes
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/14044
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-12817
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Abstract: Cryptocurrencies such as Bitcoin or Ethereum promise to establish themselves as decentralized alternatives to financial infrastructures that so far have been reliant on centralized trust models. These decentralized blockchain networks are built around the foundational principles introduced with Bitcoin’s consensus protocol, in which a peer-to-peer network manages a globally distributed ledger of transactions—the blockchain. While this new and rather unorthodox approach to achieve Byzantine agreement in open and decentralized networks offers a number of promising properties and features, it suffers from very limited throughput scalability. As distributed systems under the pressure to scale are often at risk of neglecting other essential qualities, improving scalability while considering resilience and decentralization poses a fundamental challenge for the research on open blockchain networks today. This thesis is therefore dedicated to the study of blockchain scalability from a computer networking perspective. In this regard, we focus on the two main approaches towards blockchain scalability—on-chain and off-chain scaling—, study the currently deployed state-of-the-art protocols and architectures, and propose improvements that consider decentralization, security, and privacy first-class design goals. As on-chain scalability has been previously shown to be highly dependent on the reliability and performance of the underlying networking layer, the first part of this thesis studies the peer-to-peer networks utilized for block and transaction propagation. To this end, we research the Bitcoin and Zcash networks through longitudinal measurement studies and enable their model-based evaluation through the introduction of a network-centric simulation framework. Furthermore, we present Kadcast, a new transport protocol based on a structured overlay network. We show that Kadcast enables faster and more efficient block and transaction propagation while maintaining decentralization. In the second part, we direct our attention to the notion of payment channel networks, which promise to improve scalability by processing most transactions off-chain. To this end, we study the provisionings and characteristics of Bitcoin’s Lightning Network and analyze its resilience to random failures and targeted attacks. Moreover, we study the feasibility of timing attacks on privacy and show how on-path adversaries benefiting from network centralization may compromise user privacy. Furthermore, we study possible attachment strategies according to which new nodes may join the network and how they impact the network’s topology and efficiency long-term. Lastly, we show how the foundational principles of blockchain networks may be applied beyond cryptocurrencies in order to create decentralized infrastructures with improved security properties and reduced trust requirements. To this end, we introduce Webchain, a decentralized system enabling reference verifiability for the World Wide Web.
Kryptowährungen wie Bitcoin oder Ethereum versprechen sich als dezentrale Alternativen zu den bisher zentral organisierten Finanzinfrastrukturen zu etablieren. Diese dezentralen Blockchain Netzwerke basieren auf den fundamentalen Prinzipien von Bitcoins Konsensprotokoll, in welchem ein Peer-to-Peer Netzwerk ein dezentrales Kontenbuch aller Transaktionen, die Blockchain, verwaltet. Auch wenn dieser neue und tendenziell unorthodoxe Ansatz byzantinischen Konsens in offenen und dezentralen Netzwerken herzustellen einige vielversprechende Eigenschaften und Vorzüge bietet, so leidet er doch unter der begrenzten Transaktionsdurchsatzskalierbarkeit. Da verteilte Systeme unter Skalierungsdruck oft dazu neigen andere essentielle Qualitäten zu vernachlässigen, stellt derzeit die Frage wie man die Skalierbarkeit verbessern und zugleich die Resilienz und Dezentralität berücksichtigen kann eine fundamentale Aufgabe für die Forschung an offenen Blockchain Netzwerken dar. Diese Dissertation is daher dem Studium der Skalierbarkeit von Blockchain-basierten Systemen aus der Perspektive der Computernetzwerke gewidmet. Dahingehend konzentrieren wir uns auf die zwei zentralen Ansätze für Blockchainskalierbarkeit (on-chain und off-chain Skalierung), untersuchen den Zustand der derzeitig verwendeten Protokolle und Architekturen, und machen Verbesserungsvorschläge, die Dezentralität, Sicherheit und Privatheit berücksichtigen. Vorherige Arbeiten haben bereits die Abhängigkeit der on-chain Skalierbarkeit von der Leistungsfähigkeit und der Zuverlässigkeit der Netzwerkschicht gezeigt. Der erste Abschnitt der Dissertation befasst sich daher mit den Peer-to-Peer Netzwerken, die bei der Transaktionsund Blockverteilung Verwendung finden. In dieser Hinsicht erforschen wir Netzwerke von Bitcoin und Zcash durch langfristige Messstudien und ermöglichen ihre modellbasierte Untersuchung durch die Entwicklung einer netzwerkzentrierten Simulationssoftware. Darüberhinaus präsentieren wir Kadcast, ein neues Transportprotokoll welches auf einem strukturierten Overlaynetzwerk basiert. Wir zeigen, dass Kadcast schnellere Blockund Transaktionsverteilung ermöglicht und dennoch die Dezentralität des Netzwerkes gewährleistet. Im zweiten Abschnitt richten wir unsere Aufmerksamkeit auf das Konzept der Payment Channel Networks, welche eine Verbesserung der Skalierbarkeit ermöglichen da sie die meisten Transaktionen off-chain verarbeiten. Dahingehend untersuchen wir die Charakteristiken des Bitcoin Lightning Netzwerks und analysieren seine Resilienz gegenüber zufälligen Ausfällen sowie zielgerichteten Angriffen. Außerdem untersuchen wir die Möglichkeit von zeitbasierten Angriffen auf die Privatheit und zeigen, dass ein auf dem Übertragungspfad positionierter Angreifer die Nutzerprivatheit kompromittieren kann. Darüberhinaus betrachten wir verschiedene Strategien gemäß denen sich neue Knoten zum Netzwerk verbinden können, sowie ihre langfristigen Auswirkungen auf die Eigenschaften der Netzwerktopologie. Zuletzt zeigen wir, wie die fundamentalen Prinzipien von Blockchain Netzwerken auch über das Anwendungsfeld von Kryptowährungen zum Einsatz kommen können um dezentrale Infrastrukturen mit verbesserten Sicherheitseigenschaften und reduzierten Vertrauensanforderungen zu entwerfen. Dahingehend stellen wir Webchain vor, ein dezentrales System das Referenzverifizierbarkeit für das World Wide Web ermöglicht.
Subject(s): blockchain
peer-to-peer networks
payment channel networks
security
privacy
Sicherheit
Privatsphäre
Issue Date: 2021
Date Available: 21-Dec-2021
Exam Date: 8-Dec-2021
Language Code: en
DDC Class: 003 Systeme
TU Affiliation(s): Fak. 4 Elektrotechnik und Informatik » Inst. Softwaretechnik und Theoretische Informatik » FG Distributed Security Infrastructures (DSI)
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