TU Darmstadt / ULB / TUprints

Foundations of Generalized State Channel Networks

Hostáková, Kristina (2021):
Foundations of Generalized State Channel Networks. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00017476,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Foundations of Generalized State Channel Networks
Language: English
Abstract:

Since the introduction of Bitcoin in 2008, cryptocurrencies have received considerable attention; not only for their decentralized nature but also for the ability to facilitate conditional payments. For example, Ethereum supports smart contracts, which are self-executing agreements written in program code that can control coins and hence serve as building blocks for various applications. However, there are fundamental challenges in existing cryptocurrencies, one of which is scalability. As all transactions are processed and stored on a distributed ledger -- the so-called blockchain -- transaction throughput is inherently limited. An important proposal to significantly improve scalability is to utilize payment channel networks, which allow users to perform payments in an off-chain manner. We extend the functionality of payment channel networks in several directions, thereby significantly enlarge the class of applications that can be performed off-chain.

Firstly, we generalize the idea of payment channels and construct state channels that allow two parties to execute multiple smart contracts in an off-chain manner. Moreover, we show that any subset of n parties in a state channel network can create a multi-party virtual state channel and execute n-party smart contracts without any blockchain interaction. We follow a modular design approach and formally define the security guarantees provided by the developed state channel framework using the Universal Composability (UC) model of Cannetti.

Secondly, we focus on blockchain systems that do not support execution of smart contracts, such as Bitcoin, and construct generalized channels. Analogously to state channels, generalized channels inherit the functionality of the underlying blockchain and hence form a two-party ledger. We again utilize the UC model to formally define the achieved security guarantees. Furthermore, we demonstrate that off-chain smart contract execution over Bitcoin is possible if we additionally assume that one of the involved parties owns a trusted execution environment.

Finally, we present a provably secure protocol for payment routing in a payment channel network. Our protocol allows intermediaries on the path to split the routed payment and choose the next hop for each partial payment separately. The combination of local routing and on-path splitting significantly increases the success probability of routed payments, especially when the transferred value is large.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Seit der Einführung von Bitcoin im Jahr 2008 erfahren Kryptowährungen große Aufmerksamkeit, nicht nur wegen ihres dezentralen Charakters, sondern auch wegen der Möglichkeit vorbehaltliche Zahlungen zu erleichtern. So unterstützt Ethereum beispielsweise Smart Contracts, d.h. selbstausführende, in Programmcode geschriebene Verträge, die digitale Geldwerte kontrollieren und als Bausteine für verschiedene Anwendungen dienen. Allerdings gibt es bei den bestehenden Kryptowährungen grundlegende Herausforderungen, von denen eine ihre mangelnde Skalierbarkeit ist. Da alle Transaktionen verarbeitet und auf einem verteilten Hauptbuch (der sogenannten Blockchain) gespeichert werden, ist der Transaktionsdurchsatz von Natur aus begrenzt. Ein wichtiger Vorschlag zur deutlichen Verbesserung der Skalierbarkeit ist die Nutzung von Netzwerken aus Zahlungskanälen (Payment-Channels), die es den Benutzern ermöglichen, Zahlungen außerhalb der Blockchain (off-chain) durchzuführen. Wir erweitern die Funktionalität von Payment-Channel-Netzwerken in mehrere Richtungen, wodurch die Klasse der Anwendungen, die off-chain ausgeführt werden können, erheblich erweitert wird. Zunächst verallgemeinern wir die Idee von Payment-Channels und konstruieren State-Channels, die es zwei Parteien ermöglichen, mehrere Smart Contracts off-chain auszuführen. Darüber hinaus zeigen wir, dass jede Untergruppe von n Parteien in einem State-Channel-Netzwerk einen virtuellen Mehrparteien-State-Channel erstellen und Smart Contracts mit n Parteien ohne jegliche Interaktion mit der Blockchain ausführen kann. Wir verfolgen einen modularen Designansatz und definieren die formalen Sicherheitsgarantien, die das entwickelte State-Channel Framework bietet, unter Verwendung des Universal Composability (UC)-Modells von Cannetti. Des Weiteren konzentrieren wir uns auf Blockchainsysteme, welche keine Ausführung von Smart Contracts unterstützen, wie z.B. Bitcoin, und konstruieren generalisierte Channels. Analog zu State-Channels erben generalisierte Channels die Funktionalität der zugrundeliegenden Blockchain und bilden somit eine Zwei-Parteien-Hauptbuch. Auch hier verwenden wir das UC-Modell, um die erreichten Sicherheitsgarantien formal zu definieren. Darüber hinaus zeigen wir, dass eine off-chain Ausführung von Smart Contracts über Bitcoin möglich ist, wenn wir zusätzlich davon ausgehen, dass eine der beteiligten Parteien über eine vertrauenswürdige Ausführungsumgebung verfügt. Schließlich stellen wir ein nachweislich sicheres Protokoll für das Routing von Zahlungen in einem Channel-Netzwerk vor. Unser Protokoll erlaubt es Verbindungspersonen auf dem Pfad die geroutete Zahlung aufzuteilen und für jede Teilzahlung separat den nächsten Netzknoten zu wählen. Die Kombination aus lokalem Routing und Pfadbasierter Aufteilung erhöht die Erfolgswahrscheinlichkeit von gerouteten Zahlungen erheblich, insbesondere wenn der Wert der übertragenen Zahlung hoch ist.German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 418 Seiten
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: 20 Department of Computer Science > Angewandte Kryptographie
Date Deposited: 17 Feb 2021 09:47
Last Modified: 17 Feb 2021 09:47
DOI: 10.26083/tuprints-00017476
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-174761
Referees: Faust, Prof. Dr. Sebastian and Nielsen, Prof. Dr. Jesper Buus
Refereed: 2 November 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17476
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