Ein zusammensetzbarer rationaler Rahmen für Blockchains

Bitcoin markierte den Beginn einer neuen Ära im digitalen Finanzwesen; Die als Blockchain bekannte Datenstruktur ermöglichte die sichere dezentrale Ausführung von Finanztransaktionen und revolutionierte damit die Finanzlandschaft. Blockchains bilden auf natürliche Weise Umgebungen, in denen die Teilnehmer gewinnorientiert handeln (d. h. die Teilnehmer sind rational). Dennoch analysieren aktuelle Arbeiten typischerweise die Sicherheit von Blockchain- Protokollen in der traditionellen Umgebung, in der einige der Teilnehmer böswillig und der Rest ehrlich sind, da es keinen allgemeinen Rahmen gibt, um Blockchains aus einer rationalen Perspektive zu analysieren. Darüber hinaus sind Blockchain-Systeme komplex und bestehen aus mehreren Komponenten, die unterschiedliche Leistungsaspekte behandeln, wie z. B. die Netzwerkschicht oder Schicht 0, die Konsensschicht oder Schicht 1 und das Off-Chain- Netzwerk oder Schicht 2. Alle diese Schichten interagieren miteinander und die Sicherheit jeder Schicht hängt von der Sicherheit ihrer Substratschicht ab und umgekehrt. Daher ist die Zusammensetzung von Protokollen in der Blockchain-Umgebung für die Sicherheitsgarantien und den korrekten Betrieb von Kryptowährungen von entscheidender Bedeutung. Das Ziel dieses Projekts ist die Einführung eines zusammensetzbaren Frameworks für die Sicherheitsanalyse von Blockchain-Protokollen unter einem Hybridmodell aus rationalen und böswilligen Teilnehmern. Dies ist ein bedeutendes, aber derzeit fehlendes Werkzeug mit Auswirkungen auf mehrere Disziplinen wie Informatik und Wirtschaftswissenschaften.

Blockchains sind die Technologie hinter Kryptowährungen wie Bitcoin und ermöglichen sichere, digitale Transaktionen ohne Banken oder andere zentrale Instanzen. Sie haben die digitale Finanzwelt verändert, indem sie es ermöglichen, Werte und Daten direkt und transparent zu übertragen. Allerdings geht ein Großteil der bisherigen Forschung davon aus, dass die Teilnehmer entweder völlig ehrlich oder böswillig handeln. In der Realität sind Blockchain-Nutzer jedoch oft "rational" oder eigennützig und handeln strategisch, um ihren Gewinn zu maximieren oder Kosten zu senken. Dieses Projekt hatte das Ziel, eine wesentliche Lücke zu schließen: die Entwicklung eines allgemeinen, zusammensetzbaren Rahmens zur Analyse von Blockchain-Systemen, der sowohl böswilliges als auch rationales Verhalten berücksichtigt. "Zusammensetzbar" bedeutet, dass der Rahmen mehrere interagierende Schichten einer Blockchain analysieren und verstehen kann, wie deren Sicherheit voneinander abhängt. Diese Schichten umfassen: (1) eine Netzwerkschicht, die steuert, wie Informationen zwischen Teilnehmern fließen, (2) eine Konsensschicht, die festlegt, auf welche Daten (z. B. Transaktionen) sich die Teilnehmer einigen, und (3) sogenannte Layer-2-Protokolle, die Transaktionen sicher außerhalb der Blockchain verarbeiten. Über drei Jahre hinweg untersuchten wir, wie diese Schichten miteinander interagieren, und entwickelten neue Modelle und Protokolle, um Blockchains schneller, sicherer und interoperabler zu machen. Wir identifizierten auf Bestechungen basierende Angriffe, die aus der Wechselwirkung zwischen Schichten entstehen, und entwickelten Protokolle, die auch in Kombination mit ihrer Basisschicht sicher bleiben. Besonders hervorzuheben ist die Entwicklung mehrerer Layer-2-Protokolle, die ihre Sicherheitsgarantien auch bei Integration in die Konsensschicht beibehalten und so eine sichere Skalierung von Blockchains auf Millionen von Nutzern ermöglichen. Zudem entwickelten wir Mechanismen für eine faire Belohnungsverteilung in Proof-of-Work-Blockchains wie Bitcoin und eine Transformation, die Konsensprotokolle - ursprünglich nur gegen ehrliche und böswillige Teilnehmer sicher - so erweitert, dass sie auch sicher bleiben, wenn ein Teil der "ehrlichen" Teilnehmer strategisch auf Gewinn handelt. Über einzelne Protokolle hinaus fassten wir unsere Ergebnisse in dem ersten zusammensetzbaren Rahmen für rationale Teilnehmer in einem Blockchain-Ökosystem zusammen und führten ein praktisches Sicherheitsmodell ein, das reale Blockchain-Systeme präzise abbildet. Diese Fortschritte wurden sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie anerkannt. Die Ergebnisse wurden in führenden internationalen Fachkonferenzen wie USENIX Security, ACM CCS, NDSS, FC und AFT veröffentlicht. Außerdem wurden sie in der Industrie breit kommuniziert, etwa in eingeladenen Vorträgen bei Veranstaltungen wie a16z Crypto und Encode London, sowie in der Öffentlichkeitsarbeit, unter anderem in einem Artikel im TU Wien Alumni Bulletin. Diese Forschung trägt zur Entwicklung der nächsten Generation von Blockchain-Systemen bei, die nicht nur gegen Angriffe, sondern auch gegen gewinnorientierte Strategien widerstandsfähig sind, welche Fairness, Leistung und Sicherheit gefährden. Die Ergebnisse können den Bereich der dezentralen Finanzen, den Handel zwischen Blockchains und Zahlungsnetzwerke verbessern und so die Sicherheit und Skalierbarkeit digitaler Transaktionssysteme für Millionen von Nutzern stärken.