XCLAIM: Polkadot’s trustless und interoperable Cryptocurrency-Backed Assets
Trotz des wachsenden Krypto-Ökosystems operieren Blockchains weiterhin völlig isoliert voneinander, da die Handelsprotokolle keine Möglichkeit zur interaktiven Kommunikation oder einen Datenaustausch bieten. Aus diesem Grund bevorzugen Nutzer zentralisierte Exchanges für das Transferieren von Assets über verschiedene Blockchains hinweg. Der eigentliche Sinn einer Blockchain wird mit zentralisierten Diensten untergraben, die auf Vertrauen “trust” basieren. Um Assets “trustless” transferieren zu können, sind dezentrale Exchanges/Protokolle entstanden. Der bisher einzig bekannte Standard ist Atomic Cross Chain Swap “ACCS”. Dieses Verfahren ist seit 2012 bei wenigen DEX’s implementiert. “ACCS” leiden jedoch unter erheblichen Einschränkungen bei der Geschwindigkeit, den Kosten und sind dadurch ineffizient. Diese Einschränkungen sind in Zukunft mit dem revolutionären XCLAIM Protokoll vernachlässigbar.
Der folgende Artikel beginnt mit den Eigenschaften von Atomic Swaps “ACCS”. Im Hauptteil wird auf die Architektur und die Protokolle von XCLAIM eingegangen. Abschließend ist der Vergleich zwischen Atomic Swap und XCLAIM beschrieben.
Atomic Swap “ACCS”
Das Atomic Swap Verfahren basiert auf Zeitsperren, sogenannte “Hashed Timelock Contracts” (HTLCs). Diese ermöglichen einen sicheren Austausch von Assets zwischen unterschiedlichen Blockchains. Derzeit ist dies die einzige “trustless” Variante. Zur Gewährleistung der Sicherheit, erfordert es einige Voraussetzungen wobei die Praxistauglichkeit eingeschränkt ist. Des Weiteren stehen ACCS’s vor verschiedenen Herausforderungen, die im Folgenden aufgeführt sind:
- Lange Wartezeiten: Jeder Swap erfordert zwei Transaktionen pro beteiligter Blockchain. Somit verlängert sich die Zeit der Durchführung.
- Hohe Kosten: Jede Transaktion erhöht die Kosten.
- Online-Anforderung: Alle Parteien müssen während der gesamten Transaktion die Blockchain zur Gewährung der Sicherheit online überwachen und verhindern, dass ein Tausch scheitert. Im schlimmsten Fall kann es bei einem gescheiterten Tausch sogar zum Verlust des Assets kommen.
- Out-of-Band Kanal: Für einen sicheren Betrieb müssen zusätzlich sicherheitskritische Daten über einen separaten Kanal außerhalb der Blockchain ausgetauscht werden “revocation commitments”.
- Synchronisation der Zeit: “ACCS” verwenden Zeitsperren für die Gewährleistung der Sicherheit während der Transaktion. Dabei wird die Zeit auf der jeweiligen Blockchain synchronisiert was jedoch eine Herausforderung und ein entsprechendes Risiko darstellt “race conditions”.
Bei jeder Tansaktion sind die angegebenen Herausforderungen erneut zu durchlaufen. Somit ist das “ACCS” Verfahren ineffizient.
Cryptocurrency-backed Assets (CBAs)
In Bezug auf XCLAIM ist es wichtig zu wissen, worum es sich bei Cryprocurrency-backed Assets (CBAs) handelt. CBA ist ein Asset b das auf einer Blockchain B gesperrt wird, um davon eine Asset-basierte Kryptowährung i(b) “backed Asset” auf einer Blockchain I im Verhältnis 1:1 auszugeben (siehe Bild 1).
Um ein besseres Verständnis zu den wissenschaftlichen Platzhaltern (B,b,I,i,i(b)) zu bekommen, sind folgende Definitionen für den gesamten Artikel grundlegend (siehe Bild 1):
Blockchain B = Bitcoin Blockchain
b = $BTC
Blockchain I = ChainX Blockchain (zukünftige Polkadot Parachain)
i = $PCX
i(b) = X-BTC 2.0 (CBA von ChainX)
System-Architektur von XCLAIM
XCLAIM überwindet die Einschränkungen einer Zentralisierung mit Hilfe einer sicheren System-Architektur und nutzt rückverfolgbare Smart Contracts wodurch kein Bedarf an “3th-Party-Trustees” besteht. Dabei werden Chain Relays für die Cross-Chain Verifizierung eingesetzt (siehe Bild 2). Der nachfolgende Abschnitt vermittelt einen Überblick über das Konzept von XCLAIM:
- Off-Chain-Reporting: XCLAIM verbessert die Leistung von Blockchain-Protokollen indem nicht jede Transaktion auf der Blockchain veröffentlicht wird. Stattdessen findet die Transaktionen direkt zwischen den Teilnehmern außerhalb der Chain statt wobei nur das Ergebnis auf beiden Blockchains veröffentlicht wird (z.B. X-BTC 3.0).
- Sichere Protokollierung: Um alle Aktionen der Nutzer zwischen den Blockchains nachvollziehen zu können werden Logdaten erstellt.
- Transaktion Proof-of-Inclusion: Als Nachweis des korrekten Verhaltens der Block-Header von Blockchain B auf I sind Chain-Relays im Einsatz (siehe Bild 2, “Chain-Relay”).
- N-Way Swaps: Mit der Erweiterung des XCLAIM Protokolls besteht die Möglichkeit mehrerer Swaps unterschiedlicher Assets in einer Aktion.
- Multi-Party Atomic Swaps: XCLAIM ermöglicht Multi-Party-Atomic-Swaps über einen Smart Contract womit mehrere Eigentümer-Wechsel von CBAs x/y/z in einer einzigen Transaktion abgehandelt werden können.
- Temporäre CBA Auslagerung: XCLAIM-CBAs können während Zeiten hoher Netzwerkauslastung auf andere Blockchains wechseln, um lange Transaktionszeiten zu vermeiden.
- Proof or Punishment: XCLAIM verlässt sich nicht auf frühzeitige Betrugsprüfungen. Stattdessen verlangt es einen proaktiven Nachweis des korrekten Systemverhaltens aller Nutzer (siehe Bild 2, “Entscheidung -> Treasury”).
- Erhöhtes Hinterlegen von Sicherheiten “Over-Collateralization”: Mit dem Hinterlegen von Sicherheiten wird sichergestellt, dass bei einer “Vault” kein Anreiz für ein falsches Verhalten aufkommt. Wenn die “Vault” die korrekte Ausführung eines Protokolls nicht nachweisen kann, wird die hinterlegte Sicherheit automatisch vom Smart Contract für die Entschädigung des Nutzers verwendet. Des Weiteren ist eine Strafgebühr fällig (Siehe Bild 2, “Collateral Stabilisierung ->Entscheidung”).
Sicherheitseigenschaften von XCLAIM in Bezug auf CBAs
- Prüfbarkeit: Jeder Nutzer mit Lesezugriff auf Blockchain B und Blockchain I kann den Betrieb von XCLAIM prüfen und Protokollfehler erkennen.
- Übereinstimmung: Die Ausgabe von CBAs i(b) wird nicht durchgeführt, ohne dass die entsprechende Menge an Asset b im Verhältnis 1:1 gesperrt ist |b| = |i(b)|.
- Einlösbarkeit: Jeder Nutzer kann CBA i(b) in Asset b auf Blockchain B einlösen oder sich das Asset i auf Blockchain I ausgeben lassen.
- Gültigkeit: Jeder Nutzer kann CBAs ausgeben, transferieren und zurück geben, ohne dass eine dritte Partei erforderlich ist. Die Gültigkeit eines Assets beruht nur auf den sicheren Betrieb der Blockchain B UND I.
- Atomare Swaps: Nutzer können CBAs gegen andere Assets i(b) auf Blockchain I oder in das native Asset b tauschen.
Funktionale Eigenschaften von XCLAIM
- Skalierung: Die Gesamtmenge der im Umlauf verfügbaren CBAs steigt mit der Höhe der in Blockchain B gesperrten Assets. Jeder Nutzer kann zur Skalierung beitragen, indem er die Rolle einer Vault übernimmt (siehe Bild 2: “Vault Registrierung”).
- Kompatibilität: XCLAIM beruht nicht auf einer Implementierung von Kryptowährungen mit einer bestimmten Funktionalität. Stattdessen besteht die Möglichkeit, ein Asset i(b) auf einer Blockchain I auszugeben, obwohl Blockchain B nur einfache Geldtransfers zwischen unterschiedlichen Parteien zulässt. Grundlage dafür ist, dass die ausgebende Blockchain I Smart Contracts unterstützt. Somit kann XCLAIM eine bedeutende Abwärtskompatibilität mit jenen bestehenden Blockchains beibehalten die keine Smart Contract Unterstützung bieten (z.B. Bitcoin).
XCLAIM Protokolle: Ausgabe, Transfer, Tausch, Rückgabe
XCLAIM ist das erste generische Framework welches “trustless” Cross-Chain-Transaktionen unter Verwendung von CbA’s durchführt.
Für die Unterstützung von dezentralisierten, transparenten, konsistenten, minimalen und zensurbeständigen Blockchain übergreifende Transaktionen werden vier Protokolle eingeführt.
Die folgenden Diagramme basieren auf der Definition der Assets aus Bild 1 um ein besseres Verständnis hervorzurufen.
- Ausgabe “Issue”: Das Ausgabe Protokoll ermöglicht es Bitcoin-backed Assets auf der Parachain zu erstellen (z.B. X-BTC 2.0). Grundlage dafür ist das Sperren von BTC im Verhältnis 1:1 in sogenannte “Vaults” (siehe Bild 3).
- Transfer: Über das Transfer Protokoll wird es Nutzern ermöglicht, CBA’s (z.B. X-BTC 2.0) über unterschiedliche Parachains im Polkadot Ökosystem zu transferieren.
- Tausch “Swap”: Das Tausch Protokoll ermöglicht, CBA’s (z.B. X-BTC 2.0) zwischen Nutzern über unterschiedliche Parachains zu tauschen.
- Rückgabe “Redeem”: Über das Rückgabe Protokoll werden die CBA’s (z.B X-BTC 2.0) auf der Parachain vernichtet “burn”, um den entsprechenden Betrag an Asset b von der Vault zurück zu erhalten.
Über die sichere Ausgabe “Issue”, den Transfer, den Tausch “Swap” und die Rückgabe “Redeem” von Assets können Nutzer “trustless” Blockchain übergreifende Aktionen durchführen.
Vergleich des XCLAIM Frameworks mit Atomic Swap
Der in diesem Abschnitt dargestellte Vergleich aus dem wissenschaftlichen Artikel (siehe XCLAIM S.12) bezieht sich auf reale XCLAIM Trades zwischen Bitcoin und Ethereum.
Bezüglich der verglichenen Performance von XCLAIM zu HTLC Atomic Swap “ACCS” liegen identische Bedingungen vor. Die nachfolgenden Ergebnisse bestehen aus dem Durchschnitt von 1000 Trades.
Jeder interaktive Atomic Swap “ACCS” erfordert jeweils zwei Transaktionen pro Blockchain, einschließlich einer vernachlässigbaren Verzögerung um “race conditions” zu verhindern. Bei einem Trade dauert der Vorgang über Atomic Swap im Durchschnitt ca. 146 Minuten.
Die Durchführung der kompletten XCLAIM Protokolle (Ausgabe -> Tausch -> Rückgabe) erfordert zwei BTC und sechs ETH Transaktionen. Dieser Prozess wird einmalig für ein Blockchain-Paar (z.B. BTC /ETH) durchgeführt. Dieser komplette Prozess dauert insgesamt ca. 158 Minuten. Nach einmaligem Aufsetzen des XCLAIM Frameworks mit nicht modifizierten BTC/ETH Relays, dauert ein Trade für den Nutzer nur ca. 6 Minuten.
Bei 1000 Trades ist XCLAIM 95,7% schneller. Ähnlich verhalten sich die Kosten für den Trade. Bei 1000 Trades ist XCLAIM 65,4% günstiger als “ACCS” (siehe Bild 7).
Hinweis: Ein wesentlicher Kostenfaktor bei XCLAIM (BTC,ETH) sind die nicht optimierten BTC Relay-Nutzungsgebühren (siehe Bild 7, “chainRelay only”). Diese belaufen sich auf 49,3 % der anfallenden Kosten für 1000 Trades.
Zusammenfassend wurde in diesem Artikel das XCLAIM Framework vorgestellt und vor auf allem die Systemarchitektur sowie die Sicherheits- und funktionale Eigenschaften eingegangen. XCLAIM ist ein Protokoll zur Ausgabe, Transfer, Tausch und Rückgabe von Kryptowährungen zwischen verschiedenen Blockchains mit Hilfe von Smart Contracts.
Der Performance Vergleich von XCLAIM gegenüber Cross-Chain-Swaps “ACCS” lässt allgemein einen signifikanten Vorsprung erkennen.
Polkadot implementiert mit XCLAIM einen revolutionären Ansatz um zwischen Blockchains schnell, sicher und kostengünstig zu interagieren.
Diese Technologie wird den gesamten Blockchain Bereich revolutionieren und somit große Aufmerksamkeit auf sich ziehen. Willkommen im Web3.0!
Dieser Artikel wurde von der ChainX D|A|CH Gruppe verfasst. Die grundlegenden Informationen dazu stammen aus dem wissenschaftlichen Artikel zu XCLAIM: https://eprint.iacr.org/2018/643.pdf.
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