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M. Kühne:
"Extending Cross-Blockchain Token Transfers";
Supervisor: S. Schulte; Institute of Information Systems Engineering, Distributed Systems Group, 2020; final examination: 2020-06-02.

Blockchain and cryptocurrency technologies have emerged rapidly in recent years. The first proposed blockchain was Bitcoin in 2008, with the primary usage for decentralized monetary transactions. Later, so-called second generation blockchains like Ethereum emerged, introducing the concept of smart contracts that enable code execution within blockchain.More recent blockchain research includes also completely other directions and use cases. Since each use case yields potentially different requirements, current blockchain technology is exposed to a fast pace in change, including the creation of completely new blockchains and cryptocurrencies. This results in a big fragmentation of the field and mostly incompatible blockchain technologies arise. The Deterministic Cross-Blockchain Token Transfers (DeXTT) protocol ensembles an approach that provides means of blockchain interoperability and therefore tackles the problem of blockchain fragmentation. It enables users to record the transfer of tokens on an arbitrary number of blockchains simultaneously. Currently, an Ethereum prototype for the \gls{dextt} protocol exists. The aim of this thesis is to extend the DeXTT protocol by implementing the protocol on another suitable blockchain technology. Within this thesis, we formally define the requirements on blockchains to support a DeXTT implementation. Furthermore, we introduce a survey on current blockchain technologies in regards to their technical aspects concerning the DeXTT requirements. Based on this survey, Bitcoin was chosen as a base technology to extend the DeXTT protocol. In addition, we propose a design for DeXTT on the Bitcoin blockchain, where we embed DeXTT payloads into null data outputs of Bitcoin transactions and utilize the Bitcoin Core client to access the blockchain. A concrete implementation of this design concept is created using the Java programming language. We evaluate the implementation in regards of the required transfer validity period and costs of DeXTT token transfers.This evaluation yields a minimum validity period of four Bitcoin blocks (2400 seconds) when using unconfirmed transactions, and five blocks (3000 seconds) for the usage of confirmed transactions only.Furthermore, the evaluation runs yield the concrete cost of DeXTT transfers for the average Bitcoin transaction fees and price in April 2020: 1.1451 USD for the receiver of a transfer and at least 0.2395 USD for each witness of the transfer per blockchain.

Blockchain-Technologien und Kryptowährungen haben in den letzten Jahren einen großen Aufschwung erlebt. Die erste Blockchain, Bitcoin, wurde im Jahr 2008 vorgestellt und war auf die Anwendung für dezentrale Kapitaltransaktionen fokussiert. Später folgten sogenannte Blockchains der zweiten Generation, wie z.B. Ethereum.Diese ermöglichten das Ausführen von Code auf Blockchains mittels Smart Contracts. Durch neue Forschungsarbeiten werden immer mehr Anwendungsfälle für Blockchains gefunden, was aufgrund der verschiedenen Anforderungen in der Erstellung neuer Blockchains und Kryptowährungen resultiert. Dies führt zu einer starken Fragmentierung des Forschungsfeldes und zu oftmals inkompatiblen Technologien. Dem entgegenwirkend ermöglicht das Deterministic Cross-Blockchain Token Transfers (DeXTT) Protokoll Interoperabilität zwischen Blockchains. Es erlaubt den Nutzern das Übertragen von Tokens auf mehreren Blockchains durch sogenannte Token-Transfers. Momentan gibt es bereits eine Implementierung von DeXTT für Ethereum-basierte Blockchains. Das Ziel dieser Arbeit ist es, das DeXTT-Protokoll um eine Implementierung für eine weitere Blockchain-Technologie zu erweitern. In dieser Arbeit führen wir eine formale Definition für die Anforderungen des DeXTT-Protokolls ein. Des Weiteren erstellen wir eine Erhebung der technischen Aspekte von aktuellen Blockchain-Technologien in Bezug auf diese Anforderungen. Basierend auf dieser Erhebung wurde Bitcoin als Basistechnologie für eine Erweiterung des DeXTT-Protokolls ausgewählt. Zusätzlich schlagen wir ein Designkonzept für DeXTT auf der Bitcoin-Blockchain vor, in welchem wir DeXTT-Daten in Null Data Outputs von Bitcoin inkludieren und Bitcoin Core zur Kommunikation mit der Blockchain nutzen. Eine konkrete Implementierung dieses Designkonzepts wird mittels der Programmiersprache Java erstellt. Wir evaluieren diese Implementierung in Bezug auf die erforderliche Gültigkeitsdauer von Token-Transfers und der dabei anfallenden Kosten. Diese Evaluierung liefert eine minimale Gültigkeitsdauer der Transfers von vier Blöcken (3000 Sekunden) bei der Nutzung von unbestätigten Transaktionen bzw. fünf Blöcken (2400 Sekunden) für die ausschließliche Nutzung von bestätigten Transaktionen. Des Weiteren erbrachte die Evaluierung folgende konkrete Kosten für den durchschnittlichen Bitcoin-Preis und die durchschnittlichen Transaktionengebühren vom April 2020: 1,1451 USD für den Empfänger eines Transfers und mindestens 0,2395 USD für jeden Zeugen des Transfers pro Blockchain.

Blockchain / Bitcoin / DeXTT / Interoperability