Devising a Privacy-Preserving Multi-Token Payment System as an Optimistic L2 Rollup

Abstract

Die Meinung, dass Blockchain-basierte dezentrale Kryptowährungen starke Anonymitätsgarentieren bieten, ist weit verbreitet. In Systemen wie Bitcoin finden Transaktionen nur zwischen Pseudonymen statt, aber alle Zahlungen sind öffentlich und miteinander verknüpft - und können heuristisch de-anonymisiert werden. Anonyme Zahlungssysteme wie Zerocash (implementiert in Zcash) und Monero wurden entwickelt, um private Zahlungen zu ermöglichen. Allerdings sind sowohl Zcash als auch Monero sogenannte Layer 1 Proof-of-Work-Blockchains und daher weder gut skalierbar noch nachhaltig. Außerdem unterstützen beide Blockchains nur ihre jeweiligen nativen Token-Arten, die im Vergleich zu der Gesamtheit allen Token-Arten im Ethereum-Ökosystem eine sehr geringe Marktkapitalisierung aufweisen. In dieser Arbeit wird die folgende Frage behandelt:Wie kann ein dezentralisiertes Zahlungssystem konstruiert werden, das vollständige Anonymität bietet und beliebige Arten von Token gleichzeitig unterstützt, während die Skalierbarkeit erhalten bleibt?Wir präsentieren eine Lösung, die eine Erweiterung des Konzepts von Zerocash ist und als optimistisches Layer 2 (L2) Rollup auf Ethereum gebaut wird. In unserer Konstruktion kann jedes ERC-20-konforme Token von Ethereum in das L2 überbrückt werden, wo es privat versendet werden kann. Alle L2 Transaktionen bewahren die volle Zahlungsanonymität, was bedeutet, dass keine Informationen über Sender, Empfänger, Menge oder Art des übertragenen Tokens bekannt werden. Weiters können mehrere Zahlungspartner:innen gemeinsam einen atomaren Tausch verschiedener Arten von Token durchführen, indem sie ein Primitiv zur Gruppierung von Transaktionen verwenden. Etablierte optimistische Rollup-Systeme wie Arbitrum und Optimism verwenden ein Bisektionsspiel, welches Interaktion über mehrere Runden hinweg benötigt, um die Inkorrektheit von Daten erfolgreich beweisen zu können. Unser System hingegen erlaubt das Widerlegen von inkorrekten Daten ohne Interaktion, also sofort und nur durch Übertragung von konstanter Datenmenge. Es werden Beweisskizzen für die Sicherheits- und Anonymitätsgarantien des präsentierten Systems dargelegt. Die Implementierung eines Proof-of-Concepts zeigt, dass unsere Konstruktion effizient implementiert werden kann. Weiters zeigt diese Arbeit, dass die Transaktionsgebühren für private Zahlungen voraussichtlich 0.09 USD betragen werden (angenommen der Preis für ETH beträgt 3000 USD, für Gas 12 gwei und für BLOB Gas 5 gwei).

It is widespread belief that blockchain-based decentralized cryptocurrencies offer strong privacy guarantees. In systems like Bitcoin, transactions happen only between pseudonyms, but all payments are public and linked - and can be heuristically de-anonymised. Privacy-preserving payment systems like Zerocash (implemented in Zcash) and Monero emerged that allow for private payments. However, both Zcash and Monero are Proof-of-Work Layer 1 blockchains, and thus neither scale well nor achieve sustainability. Additionally, both blockchains only support their respective native token types which have very low market capitalization compared to all tokens in the Ethereum ecosystem. In this thesis, the following question is addressed:How can a decentralized payment system be built which offers full payment privacy and supports arbitrary types of tokens simultaneously while preserving scalability?We present a solution which is an extension of the concept of Zerocash that is built as a Layer 2 (L2) to Ethereum as an optimistic rollup. In our construction, all ERC-20 compliant tokens can be bridged from Ethereum to the L2, where they can be transferred privately. All transactions on the L2 preserve full payment privacy, thus revealing no information about sender, receiver, quantity or type of token transferred. Additionally, multiple users can collaboratively perform an atomic swap of different types of tokens by using an atomic transaction execution primitive. Established optimistic rollup systems like Arbitrum and Optimism use a multi-round bisection game for fraud proofing, while our system allows for non-interactive, instant and constant-sized fraud proofs. Proof sketches are provided for the security and privacy guarantees of the proposed system. The proof-of-concept implementation shows that our construction can be efficiently implemented and the evaluation shows that transaction fees for private payments can be expected to be as low as 0.09 USD (assuming an ETH price of 3000 USD, gas price of 12 gwei and BLOB gas price of 5 gwei).