Exploring interoperability and scalability in DAG-based distributed ledger technologies: A case study of relay implementation

Abstract

In den letzten Jahren sind Kryptowährungen wie Bitcoin und die zugehörige Blockchain-Technologie zu gängigen Themen in der Mainstream-Welt geworden.Diese erhöhte Aufmerksamkeit hat bedeutende Fortschritte im Bereich der Distributed-Ledger-Technologien (DLTs) ermöglicht.Gleichzeitig hat der erhöhte Datenverkehr auch die Bedeutung von Skalierbarkeit hervorgehoben und zur Entstehung verschiedener neuer Projekte und Techniken zur Verbesserung der Skalierbarkeit geführt. Viele dieser Systeme sind inkompatibel zueinander, was die Fragmentierung von DLTs verstärkt.Daher ist neben der Skalierbarkeit auch die Interoperabilität ein aktueller Forschungsschwerpunkt.Ein vielversprechender Ansatz zur Erhöhung des Transaktionsdurchsatzes besteht darin, die übliche Blockchain-Datenstruktur durch einen gerichteten azyklischen Graphen (directed acyclic graph, DAG) zu ersetzen.Solche Lösungen bringen jedoch ihre eigenen Herausforderungen in Bezug auf Dezentralisierung sowie Sicherheit mit sich und können immer noch an Skalierbarkeitsgrenzen stoßen.Aus diesem Grund darf die Forschung zur Skalierbarkeit solcher Systeme nicht vernachlässigt werden.Die meiste Forschung zu Blockchain-basierten Systemen ist nicht unbedingt direkt auf DAG-basierte anwendbar.Dies gilt auch für sogenannte ``Relays'', die Schemata zur vertrauenswürdigen Weiterleitung von Nachrichten von einer Ledger zu einer anderen sind.Diese Interoperabilitätslösungen können die Skalierbarkeit fördern, da sie es ermöglichen, von anderen Systemen zu profitieren, die beispielsweise bestimmte Aufgaben effizienter erledigen.In jüngster Zeit hat die Nutzung von sogenannten ``Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive ARguments of Knowledge'' (zk-SNARKs) um solche Übertragungen effizient und sicher abzuwickeln viel Aufmerksamkeit erregt.Mit dieser Art von Protokoll ist es möglich, beliebige Berechnungen in kompakter Form zu beweisen, ohne Einzelheiten der Operation preiszugeben.In dieser Arbeit geben wir einen umfassenden Überblick zu Trends der Skalierbarkeit sowie Interoperabilität in DLTs und diskutieren bestehende Relay-Lösungen.Basierend darauf präsentieren wir eine Relay-Implementierung für eine DAG-basierte DLT.Die Evaluierung konzentriert sich auf die Leistung des Relays bei der Überprüfung von echten Transaktionsdaten unter verschiedenen Szenarien.Zum Abschluss dieser Arbeit diskutieren wir mehrere Ansätze zur Nutzung von zk-SNARKs, um die vorgeschlagene Lösung weiter zu verbessern, und betonen die Wichtigkeit DLTs, unter Berücksichtigung von Interoperabilität und effizienter Anwendung von zk-SNARKs zu entwickeln.

In recent years, cryptocurrencies like Bitcoin and the associated blockchain technology have become commonplace topics in the mainstream. This surge in attention has enabled significant advancements and research within the field of distributed ledger technologies (DLTs). Simultaneously, the increased traffic has underscored the importance of scalability, leading to the emergence of various new projects and techniques aimed at improving scalability. By this process, DLTs became even more fragmented due to several incompatible systems. Therefore, besides scalability also interoperability is a current focus of research.A promising approach to achieve higher transaction throughput is to replace the common blockchain data structure with a directed acyclic graph (DAG) to construct a DAG-based DLT. However, such solutions come with their own challenges regarding decentralization as well as security and may still encounter scalability limits. For that reason, research on scalability specific to such systems should not be neglected.Unfortunately, most research conducted in the field of DLT focuses on blockchain systems and may not directly be applicable to the ones based on a DAG. That is also the case for work on so-called “relays”, which are schemes for relaying messages from one ledger to another in a trustworthy way. These interoperability solutions can promote scalability because they allow to benefit from other systems that, for example, handle specific tasks more efficiently. Recently, the utilization of zero-knowledge Succinct Non-interactive ARguments of Knowledge (zk-SNARKs) as an enabler for efficient and secure cross-chain transfers has attracted much attention. With this kind of protocol, it is possible to prove arbitrary computations in a concise way without giving away details of the operation. In this thesis, we give a comprehensive overview of scalability and interoperability trends in DLT and discuss existing relay solutions. Based on these observations we present a relay implementation for a DAG-based DLT. The evaluation focuses on the relay performance for verifying real-world transaction data under various scenarios. Concluding this work, we discuss several approaches for using zk-SNARKs to further improve the proposed solution and stress the importance of DLTs that are designed under consideration of interoperability and efficient application of zk-SNARKs.