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Improving Scalability, Privacy, and Decentralization of Blockchains and their Applications via Multiparty Computation

Schlosser, Benjamin (2024)
Improving Scalability, Privacy, and Decentralization of Blockchains and their Applications via Multiparty Computation.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00028820
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Improving Scalability, Privacy, and Decentralization of Blockchains and their Applications via Multiparty Computation
Language: English
Referees: Faust, Prof. Sebastian ; Hazay, Prof. Carmit
Date: 10 December 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 268 Seiten in verschiedenen Zählungen
Date of oral examination: 27 August 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00028820
Abstract:

Since the advent of Bitcoin in 2008, a myriad of blockchain systems have emerged. Blockchains provide decentralized systems aiming to remove any trust in centralized parties. While Bitcoin provides simple money transfer and rudimentary scripting capabilities, other blockchains like Ethereum support the execution of complex smart contracts. Smart contrast sparked the invention of many new applications over blockchains, with decentralized finance (DeFi) being one of the most prominent. By moving financial services and products to decentralized and open blockchains, DeFi has the potential to democratize the financial market. While showing a promising feature, state-of-the-art blockchains still suffer from limitations and open problems. Limited scalability prevents mass adaption since the number of tolerable actions within the system is too low. Additionally, many systems lack strong privacy features, preventing their applicability to applications with high privacy requirements, like in the healthcare sector. Despite these open problems, blockchains are used in more and more new contexts due to their attractive features based on their decentralized nature. One example is the concept of self-sovereign identities (SSI), where blockchains provide decentralized storage of public metadata. In many new contexts, blockchains are paired with additional components, often not explicitly designed for blockchain applications. Hence, it remains an open problem to align these components with the fundamental idea of blockchains, i.e., removing trust in centralized parties. In this thesis, we significantly contribute to the design of new solutions to all three mentioned problems. More concretely, we tackle the scalability and privacy problem and mitigate the trust in centralized parties in a new component combined with blockchains. Our main building block in all our contributions is secure multiparty computation (MPC), which allows distrusting parties to compute on private data without leaking anything except the output of the computation. First, we present a new off-chain protocol that supports the execution of smart contracts. Since prior work suffers from different shortcomings, our solution addresses them all simultaneously. Second, we use MPC to facilitate private computation for blockchains. To do so, we consider a security model that provides a trade-off between efficiency and security. For this setting, we propose further efficiency improvements, present a compiler for enhancing security, and propose a protocol to combine MPC with blockchains. Our final result allows parties to perform computation privately, and the computation's result defines a distribution of coins. Third, we look at anonymous credentials, an essential component of self-sovereign identities. We present a distributed issuance protocol for anonymous credentials based on the BBS+ signature scheme.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Seit dem Erscheinen von Bitcoin im Jahr 2008 ist eine Vielzahl von Blockchain-Systemen entstanden. Blockchains sind dezentrale Systeme, die darauf abzielen, jegliches Vertrauen in zentralisierte Parteien zu beseitigen. Während Bitcoin einfache Geldtransfers und rudimentäre Skripting-Funktionen bietet, unterstützen andere Blockchains wie Ethereum die Ausführung komplexer Smart Contracts. Smart Contracts ermöglichten die Erfindung vieler neuer Anwendungen über Blockchains, wobei dezentralisierte Finanzmärkte (engl. dezentralized finance, DeFi) eine der bekanntesten ist. Durch die Verlagerung von Finanzdienstleistungen und -produkten auf dezentrale und offene Blockchains hat DeFi das Potenzial, den Finanzmarkt zu demokratisieren. Obwohl sie vielversprechend sind, haben moderne Blockchains noch immer mit Einschränkungen und offenen Fragen zu kämpfen. Die begrenzte Skalierbarkeit verhindert eine Massenanpassung, da die Anzahl der tolerierbaren Transaktionen innerhalb des Systems zu gering ist. Außerdem mangelt es vielen Systemen an einem starken Schutz der Privatsphäre, was ihre Anwendbarkeit für Anwendungen mit hohen Datenschutzanforderungen, wie etwa im Gesundheitswesen, verhindert. Trotz dieser offenen Probleme werden Blockchains aufgrund ihrer attraktiven Eigenschaften, die auf ihrer dezentralen Natur beruhen, in immer mehr neuen Kontexten eingesetzt. Ein Beispiel ist das Konzept der selbstbestimmten Identitäten (engl. self-sovereign identities, SSI), bei dem Blockchains eine dezentrale Speicherung von öffentlichen Metadaten ermöglichen. In vielen neuen Kontexten werden Blockchains mit zusätzlichen Komponenten gepaart, die oft nicht explizit für Blockchain-Anwendungen entwickelt wurden. Daher bleibt es ein offenes Problem, diese Komponenten mit der grundlegenden Idee von Blockchains in Einklang zu bringen, d. h. das Vertrauen in zentralisierte Parteien aufzuheben. In dieser Arbeit leisten wir einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung neuer Lösungen für alle drei genannten Probleme. Konkret gehen wir das Problem der Skalierbarkeit und des Datenschutzes an und reduzieren das Vertrauen in zentralisierte Parteien in einem System, das mit Blockchains kombiniert wird. Unser Hauptbaustein in all unseren Beiträgen ist die sichere Mehrparteienberechnung (engl. multiparty computation, MPC), die es misstrauenden Parteien ermöglicht, mit privaten Daten zu rechnen, ohne dass etwas anderes als die Ausgabe der Berechnung preisgegeben wird. Zunächst stellen wir ein neues Off-Chain-Protokoll vor, das die Ausführung von Smart Contracts unterstützt. Während frühere Arbeiten verschiedenen Mängeln aufweisen, behebt unsere Lösung all diese Mängel gleichzeitig. Zweitens verwenden wir MPC, um private Berechnungen für Blockchains zu erleichtern. Zu diesem Zweck betrachten wir ein Sicherheitsmodell, das einen Kompromiss zwischen Effizienz und Sicherheit bietet. In diesem Zusammenhang schlagen wir weitere Effizienzverbesserungen vor, präsentieren einen Compiler zur Erhöhung der Sicherheit und schlagen ein Protokoll zur Kombination von MPC mit Blockchains vor. Unsere finale Konstruktion ermöglicht es Parteien Berechnungen privat durchzuführen und das Ergebnis der Berechnung definiert eine entsprechende Geldverteilung. Drittens befassen wir uns mit anonymen Berechtigungsnachweisen (engl. anonymous credentials), einer wesentlichen Komponente von selbstbestimmten Identitäten. Wir stellen ein verteiltes Protokoll zur Erstellung von anonymen Berechtigungsnachweise vor, das auf dem BBS+-Signaturverfahren basiert.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-288204
Classification DDC: 000 Generalities, computers, information > 004 Computer science
Divisions: 20 Department of Computer Science > Angewandte Kryptographie
Date Deposited: 10 Dec 2024 13:49
Last Modified: 11 Dec 2024 08:22
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/28820
PPN: 524505640
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