Cross-Blockchain Data Storage

Abstract

Nach dem anfänglichen Hype um die Blockchain-Technologie, die erstmals durch Satoshi Nakamotos Bitcoin bekannt wurde, hat sich der Bereich in Richtung der Entwicklung ausgereifter Blockchain-basierter Systeme und Anwendungen weiterentwickelt. In dieser weitläufigen Landschaft fungieren die einzelnen Blockchain-Plattformen und Ökosysteme häufig als isolierte Silos, die strikt von anderen Plattformen getrennt sind und über keine inhärenten Interoperabilitätsfunktionen verfügen. Trotz der Existenz etablierter Mechanismen für den Austausch von Coins und Tokens über heterogene Blockchains hinweg müssen Entwickler von Web3-Anwendungen, die aus Smart Contracts bestehen, möglicherweise auf individuelle Anpassungen zurückgreifen, um Blockchain-übergreifende Anwendungen zu ermöglichen. In vielen Fällen sind diese Ansätze nicht ausreichend skalierbar, wenn die Anwendung auf zusätzlichen Blockchain-Plattformen verteilt werden muss. Folglich sind weitere Anpassungen erforderlich. Darüber hinaus stellt sich die Frage der Speicherung gemeinsamer Anwendungsdaten, die mit Smart Contracts kompatibel und für das dezentrale Konzept der Blockchain geeignet sein muss. Diese Arbeit präsentiert einen Vorschlag für eine Blockchain-übergreifende Datenspeicherlösung, die das InterPlanetary File System (IPFS) als dezentrale Off-Chain-Persistenzschicht und Blockchain-Oracles nutzt, um Lese- und Schreibvorgänge zu ermöglichen. Der Einsatz von incentivierten Vermittlern in Verbindung mit einem neuartigen Oracle-Verifizierungsmechanismus für Schreibzugriffe erlaubt die Formulierung eines Lösungsentwurfs für ein vollständig dezentrales System. Dieser Ansatz ermöglicht die lose gekoppelte Verbindung von Blockchain-übergreifenden Anwendungen, wobei die einzelnen Blockchain-Plattformen nicht direkt aufeinander zugreifen müssen. Wir präsentieren eine prototypische Implementierung des Lösungsentwurfs und bewerten anschließend den Prototyp hinsichtlich Kosten, Leistung und Sicherheit. Im Vergleich zu einer hypothetischen Referenzlösung, die eine zentralisierte Persistenzschicht verwendet, zeigen wir, dass vollständige Dezentralisierung die Betriebskosten und die Leistung sowie die Integrität der gemeinsam genutzten Daten erheblich negativ beeinträchtigt.

Following the initial hype surrounding the blockchain technology, which was first popularized by Satoshi Nakamoto’s Bitcoin, the field has evolved towards the development of mature blockchain-based systems and applications. In this extensive landscape, the individual blockchain platforms and ecosystems frequently function as isolated silos, which are strictly disconnected from other platforms and lack inherent interoperability capabilities. Despite the existence of established mechanisms for the exchange of funds and tokens across heterogeneous blockchains, developers of Web3 applications, which are composed of smart contracts, may need to resort to custom adaptations to enable cross-blockchain applications. In many cases, these approaches are not sufficiently scalable when the application needs to be distributed on additional blockchain platforms. Consequently, further adaptations are necessary. Furthermore, the issue of the storage of shared application data arises, which must be compatible with smart contracts and suitable for the decentralized notion of the blockchain. This thesis presents a proposal for a cross-blockchain data storage solution which utilizes the InterPlanetary File System (IPFS) as an off-chain decentralized persistence layer and blockchain oracles to enable read and write operations. The employment of incentivized intermediaries in conjunction with a novel oracle verification mechanism for write access requests facilitates the formulation of a solution design for a fully decentralized system. This approach enables the interconnection of cross-blockchain applications in a loosely coupled manner, wherein the individual blockchain platforms are not required to have a direct dependency on each other. We present a prototypical implementation of the solution design and subsequently assess the prototype in terms of cost, performance, and security. In comparison with a hypothetical reference solution, which utilizes a centralized persistence layer, we demonstrate that full decentralization has a considerable negative impact on the operational costs and performance, as well as on the integrity of the shared data.