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.