Network Layer Aspects of Permissionless Blockchains

Permissionless blockchains reach decentralized consensus without requiring pre-established identities or trusted third parties, thus enabling applications such as cryptocurrencies and smart contracts. Consensus is agreed on data that is generated by the application and transmitted by the system’s (peer-to-peer) network layer. While many attacks on the network layer were discussed so far, there is no systematic approach that brings together known attacks, the requirements, and the design space of the network layer. In this paper, we survey attacks on the network layer of permissionless blockchains, and derive five requirements: performance, low cost of participation, anonymity, DoS resistance, and topology hiding. Furthermore, we survey the design space of the network layer and qualitatively show the effect of each design decisions on the fulfillment of the requirements. Finally, we pick two aspects of the design space, in-band peer discovery and relay delay, and demonstrate possible directions of future research by quantitatively analyzing and optimizing simplified scenarios. We show that while most design decisions imply certain tradeoffs, there is a lack of models that analyze and formalize these tradeoffs. Such models could aid the design of the network layer of permissionless blockchains. One reason for the lack of models is the deliberately limited observability of deployed blockchains. We emphasize that simulation based approaches cope with these limitations and are suited for the analysis of the network layer of permissionless blockchains

Blockchain For Food: Making Sense of Technology and the Impact on Biofortified Seeds

The global food system is under pressure and is in the early stages of a major transition towards more transparency, circularity, and personalisation. In the coming decades, there is an increasing need for more food production with fewer resources. Thus, increasing crop yields and nutritional value per crop is arguably an important factor in this global food transition. Biofortification can play an important role in feeding the world. Biofortified seeds create produce with increased nutritional values, mainly minerals and vitamins, while using the same or less resources as non-biofortified variants. However, a farmer cannot distinguish a biofortified seed from a regular seed. Due to the invisible nature of the enhanced seeds, counterfeit products are common, limiting wide-scale adoption of biofortified crops. Fraudulent seeds pose a major obstacle in the adoption of biofortified crops. A system that could guarantee the origin of the biofortified seeds is therefore required to ensure widespread adoption. This trust-ensuring immutable proof for the biofortified seeds, can be provided via blockchain technology

Security and Anonymity Aspects of the Network Layer of Permissionless Blockchains

Permissionless Blockchains sind dezentrale Systeme, die Konsens erzielen. Das prominenteste Beispiel einer Permissionless Blockchain ist das elektronische Zahlungssystem Bitcoin, welches Konsens über die von Teilnehmern des Systems erzeugten Finanztransaktionen erzielt. Während verteilter Konsens seit Jahrzehnten Gegenstand zahlreicher Forschungsarbeiten ist, ist Bitcoin das erste bekannte System, welches Konsens im sog. permissionless-Modell erzielt, d.h. ohne die vorausgehende Feststellung der Identitäten der Teilnehmer des Systems. Die Teilnehmer von Permissionless Blockchains kommunizieren über ein unstrukturiertes Peer-to-Peer (P2P) Netzwerk miteinander. Da das Verfahren zur Konsensbildung von Permissionless Blockchains auf Daten basiert, die über dieses P2P-Netzwerk übertragen werden, können Sicherheitslücken in der Netzwerkschicht auch die Konsensbildung und damit die angestrebte Funktion des Systems beeinflussen. Während unstrukturierte P2P-Netzwerke in der Vergangenheit umfassend analysiert wurden, führt ihr Einsatz in Permissionless Blockchains zu Sicherheitsanforderungen und Angreifermodellen, die bisher noch nicht berücksichtigt wurden. Obwohl einzelne Angriffe auf die Netzwerkschicht von Permissionless Blockchains analysiert wurden, ist unklar, welche Sicherheitseigenschaften die Netzwerkschicht von Permissionless Blockchains haben sollte. Diese Unklarheit motiviert die erste in dieser Dissertation behandelte Forschungsfrage: Wie können Anforderungen und Zielkonflikte, die in den Mechanismen der Netzwerkschicht von Permissionless Blockchains vorhanden sind, untersucht werden? In dieser Dissertation wird eine Systematisierung von Angriffen auf die Netzwerkschicht von Bitcoin vorgestellt, in der Angriffe hinsichtlich der angegriffenen Mechanismen und der Auswirkungen der Angriffe auf höhere Schichten des Systems kategorisiert werden. Basierend auf der Systematisierung werden fünf Anforderungen für die Netzwerkschicht von Permissionless Blockchains abgeleitet: Leistung, niedrige Beteiligungskosten, Anonymität, Robustheit gegen Denial-of-Service Angriffe sowie Topologieverschleierung. Darüber hinaus werden der Entwurfsraum der Netzwerkschicht aufgezeigt und der Einfluss von Entwurfsentscheidungen auf die Erfüllung von Anforderungen qualitativ untersucht. Die durchgeführten Systematisierungen weisen auf inhärente Zielkonflikte sowie Forschungsmöglichkeiten hin und unterstützen die Entwicklung von Permissionless Blockchains. Weiterhin wird auf Grundlage von seit 2015 durchgeführten Messungen eine Charakterisierung des Bitcoin-P2P-Netzwerks präsentiert. Die Charakterisierung ermöglicht die Parametrisierung und Validierung von Simulationsmodellen und die Bewertung der Zuverlässigkeit von realen Experimenten. Darüber hinaus gewährt die Netzwerkcharakterisierung Einblicke in das Verhalten von Netzwerkknoten und deren Betreibern. Beispielsweise kann gezeigt werden, dass Sybil-Ereignisse in der Vergangenheit im Bitcoin-P2P-Netzwerk stattgefunden haben und dass die Leistung und die Anonymitätseigenschaften der Transaktions- und Blockausbreitung durch Implementierungs- und Protokolländerungen verbessert worden sind. Auf Grundlage dieser Charakterisierung werden zwei ereignisdiskrete Simulationsmodelle des Bitcoin-P2P-Netzwerks entworfen. Die Modelle werden durch einen Vergleich der simulierten Informationsausbreitungsverzögerung mit der beobachteten Informationsausbreitungsverzögerung im realen Netzwerk validiert. Da der Vergleich eine hohe Übereinstimmung zeigt, ermöglichen die vorgestellten Simulationsmodelle die Simulation des Bitcoin-Netzwerks mit einer Genauigkeit, die für die Analyse von Angriffen im Bitcoin-Netzwerk ausreicht. Die vorgestellten Simulationsmodelle sowie die durchgeführte Systematisierung von Angriffen verdeutlichen die Bedeutung der Kenntnis der Netzwerktopologie als Grundlage für Forschung und die Analyse von Deanonymisierungsangriffe. Daher adressiert die zweite Forschungsfrage dieser Dissertation Methoden der Topologieinferenz und der Deanonymisierung: Unter welchen Voraussetzungen und in welchem Maße sind netzwerkbasierte Topologieinferenz und Deanonymisierung in Bitcoin (un)möglich? Diese Frage wird durch Anwendung der vorgeschlagenen Methodenkombination aus Messungen, Simulationen und Experimenten beantwortet. In dieser Dissertation werden vier verschiedene Methoden zur Topologieinferenz vorgestellt und unter Verwendung von Experimenten und Simulationsstudien analysiert. Anhand von Experimenten wird gezeigt, dass ein Angreifer, der in der Lage ist, Verbindungen zu allen Knoten des Netzwerks zu etablieren, die direkten Nachbarn eines Netzwerkknotens mit hoher Sensitivität (recall) und Genauigkeit (precision) (87% recall, 71% precision) durch die Veröffentlichung von widersprüchlichen Transaktionen im Netzwerk herausfinden kann. Unter der Annahme eines passiven Angreifers, der in der Lage ist, sich mit allen erreichbaren Netzwerkknoten zu verbinden, war 2016 ein Rückschluss auf die Nachbarn eines Netzwerkknotens mit einer Sensitivität von 40% bei einer Genauigkeit von 40% durch Beobachtung von mindestens acht Transaktionen, die von diesem Netzwerkknoten stammen, möglich. Darüber hinaus ist es möglich, die Akkumulation mehrere Transaktionen zum Zwecke der Topologieinferenz zu geringen Kosten auszunutzen. Allerdings bleibt die erwartete Inferenzqualität aufgrund fehlender Validierungsmöglichkeiten unklar. Schließlich kann simulativ gezeigt werden, dass der Peer-Discovery-Mechanismus eines P2P-Netzwerks bei bestimmte Parametrisierungen Topologinferenz ermöglichen kann. Abschließend wird die Möglichkeit einer netzwerkbasierten Deanonymisierung bewertet, indem analysiert wird, ob eine Korrelation zwischen der IP-Adresse des Netzwerkknotens, der eine Transaktion veröffentlicht, und dem mutmaßlichen Ersteller der Transaktion besteht. Der zugrundeliegende Datensatz basiert auf den durchgeführten Messungen und besteht aus fast 10 Millionen Transaktionen mit zugehörigen IP-Adressen. Es wird gezeigt, dass Transaktionen von 5% bis 8.3% der Benutzer auffallend häufig von einzelnen Netzwerkknoten veröffentlicht wurden, was diese Benutzer dem Risiko netzwerkbasierter Deanonymisierungsangriffe aussetzt

Designing a Blockchain Model for the Paris Agreement’s Carbon Market Mechanism

This paper examines the benefits and constraints of applying blockchain technology for the Paris Agreement carbon market mechanism and develops a list of technical requirements and soft factors as selection criteria to test the feasibility of two different blockchain platforms. The carbon market mechanism, as outlined in Article 6.2 of the Paris Agreement, can accelerate climate action by enabling cooperation between national Parties. However, in the past, carbon markets were limited by several constraints. Our research investigates these constraints and translates them into selection criteria to design a blockchain platform to overcome these past limitations. The developed selection criteria and assumptions developed in this paper provide an orientation for blockchain assessments. Using the selection criteria, we examine the feasibility of two distinct blockchains, Ethereum and Hyperledger Fabric, for the specific use case of Article 6.2. These two blockchain systems represent contrary forms of design and governance; Ethereum constitutes a public and permissionless blockchain governance system, while Hyperledger Fabric represents a private and permissioned governance system. Our results show that both blockchain systems can address present carbon market constraints by enhancing market transparency, increasing process automation, and preventing double counting. The final selection and blockchain system implementation will first be possible, when the Article 6 negotiations are concluded, and governance preferences of national Parties are established. Our paper informs about the viability of different blockchain systems, offers insights into governance options, and provides a valuable framework for a concrete blockchain selection in the future.DFG, 414044773, Open Access Publizieren 2019 - 2020 / Technische Universität Berli

Exploring the Privacy Concerns in Permissionless Blockchain Networks and Potential Solutions

In recent years, permissionless blockchains have gained significant attention for their ability to secure and provide transparency in transactions. The development of blockchain technology has shifted from cryptocurrency to decentralized finance, benefiting millions of unbanked individuals, and serving as the foundation of Web3, which aims to provide the next generation of the internet with data ownership for users. The rise of NFTs has also helped artists and creative workers to protect their intellectual property and reap the benefits of their work. However, privacy risks associated with permissionless blockchains have become a major concern for individuals and institutions. The role of blockchain in the transition from Web2 to Web3 is crucial, as it is rapidly evolving. As more individuals, institutions, and organizations adopt this technology, it becomes increasingly important to closely monitor the new risks associated with permissionless blockchains and provide updated solutions to mitigate them. This paper endeavors to examine the privacy risks inherent in permissionless blockchains, including Remote Procedure Call (RPC) issues, Ethereum Name Service (ENS), miner extractable value (MEV) bots, on-chain data analysis, data breaches, transaction linking, transaction metadata, and others. The existing solutions to these privacy risks, such as zero-knowledge proofs, ring signatures, Hyperledger Fabric, and stealth addresses, shall be analyzed. Finally, suggestions for the future improvement of privacy solutions in the permissionless blockchain space shall be put forward.Comment: Accepted to be published in: 2023 IEEE International Conference on Smart Information Systems and Technologies (SIST). \c{opyright} 2023 IEE