Blockchain interoperability: A cross-chain token transfer protocol

Abstract

Blockchains, die wichtigste zugrundeliegende Technologie hinter Kryptowährungen, haben in der Informatik, im Finanzwesen, in der Wirtschaft und in der Forschung großes Interesse geweckt. Blockchains bieten die Möglichkeit, Daten zu speichern und Datenintegrität in einer vertrauenswürdigen Umgebung zu gewährleisten, jedoch laufen sie grundsätzlich in einer isolierten Umgebung. Eingeschränkte Interoperabilität zwischen Blockchains führt zu Kompromissen, die Eigentümer digitaler Assets und Entwickler verteilter Anwendungen machen müssen. Eine erhöhte Interoperabilität würde es Benutzern ermöglichen, ihre Assets und Daten über mehrere Blockchains zu verteilen, und würde es Entwicklern ermöglichen, Blockchain-unabhängige verteilte Anwendungen zu entwickeln. Im Zuge der Erreichung der Interoperabilität zwischen Blockchains stehen wir vor dem Problem, dass es nicht möglich ist, innerhalb einer Blockchain zu überprüfen, ob bestimmte Daten auf einer anderen Blockchain aufgezeichnet wurden. In dieser Arbeit stellen wir das Konzept von teilweise dezentralisierten Validation Parties vor und argumentieren, wie dieses Konzept Blockchain-übergreifende Token-Transfers auf überprüfbare Weise ermöglichen kann, ohne die Integrität der übertragenen Tokens zu beeinträchtigen. Im theoretischen Teil dieser Arbeit untersuchen wir die Literatur im Blockchain-Bereich, wobei der Schwerpunkt auf dem State of the Art im Bereich Blockchain-Interoperabilität liegt. Ziel ist es, die größten Herausforderungen für die Interoperabilität von Blockchains zu identifizieren und Anforderungen für ein Blockchain-übergreifende Token-Transfers Protokoll auf Basis einer teilweise dezentralisierten Architektur zur Verifizierung von Blockchain-übergreifenden Beweisen zu definieren und zu spezifizieren. Der praktische Teil dieser Arbeit zielt darauf ab, einen Prototyp des definierten Protokolls als Smart Contract für Ethereum-basierte Blockchains zu implementieren. Um die Machbarkeit des implementierten Protokolls zu zeigen, wird ein Proof of Concept einer prototypisch verteilten Anwendung entwickelt, die in der Lage ist, Blockchain-übergreifende Token-Transfers durchzuführen. Letztendlich werden das Blockchain-übergreifende Token-Transfer Protokoll und der Prototyp in einer aus zwei Ethereum-basierten Blockchains bestehenden Testumgebung bereitgestellt und evaluiert. Wir diskutieren und bewerten verschiedene Anwendungsfälle sowie gesammelte Metriken wie Transaktionskosten und Übertragungszeiten.

Blockchains, the main underlying technology behind cryptocurrencies, have gained significant interest in computer science, finance, economics, and research. Blockchains provide the means to store data and guarantee its integrity in a trustless environment, but notably they run in an isolated setting. Limited interoperability between blockchains leads to compromises that owners of digital assets and developers of distributed applications have to make. Increased interoperability would allow users to distribute their assets and data across multiple blockchains, and would enable developers to design blockchain-agnostic distributed applications. In the course of achieving interoperability between blockchains, we face the problem that it is not possible to verify that specific data has been recorded on one blockchain from within another blockchain. In this thesis, we present the concept of semi-decentralized validation parties, and argue how this concept can enable cross-chain token transfers in a verifiable manner without compromising the integrity of the transferred tokens. In the theoretical part of this thesis, we survey literature in the blockchain field, with focus on the current state-of-the-art in blockchain interoperability. The aim is to identify the main challenges to achieve blockchains interoperability, and to define and specify requirements for a cross-chain token transfer protocol based on a semi-decentralized architecture for the verification of cross-chain proofs. The practical part of this thesis aims to implement a prototype of the defined protocol as a smart contract for Ethereum-based blockchains. To show the feasibility of the implemented protocol, a proof of concept of a prototypical distributed application able to perform cross-chain token transfers is developed. Finally, the cross-chain token transfer protocol and the prototype are deployed and evaluated in a test environment consisting of two Ethereum-based blockchains. We discuss and evaluate various use cases, as well as collected metrics data such as transaction cost and transfer times.