Towards a better understanding of Bitcoin: from system analyses to new protocol designs

Abstract

Bitcoin ha donat peu a un dels majors canvis de paradigma de l’últim segle respecte a com entenem i utilitzem els diners. El naixement de les criptomonedes ha obert la porta a un sistema econòmic distribuït on la necessitat de terceres parts de confiança, o d’entitats centrals, ha estat substituïda per la criptografia i el flux obert d’informació entre tots els actors del sistema, construint d’aquesta forma un registre de transaccions comú conegut com a blockchain. Aquest canvi de paradigma, però, comporta certes implicacions que, de no ser tractades adientment, poden comprometre la seguretat del sistema. En aquesta tesis ens hem centrat en analitzar dos dels grans components de Bitcoin: la seva xarxa P2P i el conjunt de monedes en circulació. Amb aquest anàlisis es pretén identificar els punts forts i les febleses de Bitcoin, amb l’objectiu de proposar solucions i/o millores per aquestes. Aquests anàlisis ens han permès, per una banda, caracteritzar les xarxes P2P de criptomonedes, i, per altra banda, identificar un dels actuals problemes d’escalabilitat de Bitcoin: les monedes no rentables. D’altra banda, i un cop assolit un coneixement suficient del sistema, la tesis s’ha centrat en el disseny de protocols per estendre la funcionalitat de Bitcoin en diferents escenaris de pagament. A més a més, s’ha proposat una solució per reduir la probabilitat de ser estafat a l’utilitzar transaccions sense confirmar. I finalment, s’ha dissenyat un protocol de compra-venta de dades utilitzant Bitcoin, eliminant la necessitat inherent de confiança per part del comprador.

Bitcoin has kicked off one of the biggest paradigm shifts of the last century regarding how we understand and use money. The birth of criptocurrencies lays the foundations of a new financial system, where the need of trusted third parties, or central authorities, has been replaced by cryptography and an open flow of information between all the actors of the system. By sharing all the information regarding the operations of the system, all users can eventually agree in a distributed ledger, known as blockchain. Such a paradigm shift, however, poses some threads that, if not properly handled, may compromise the security of the system. In this thesis we have studied two of the core components of Bitcoin: its P2P network, and the set of unspent Bitcoins. Such analysis aimed to spot the strengths and weaknesses of the system in order to design solutions for them. The outcomes of our analyses have been, on the one side, characterizing the cryptocurrency P2P networks and, on the other side, spotting one of the current Bitcoin scalability problems: the unprofitable coins. Moreover, after analysing the system and obtaining a deep understanding of it, the thesis has focused on designing protocols to extend Bitcoin’s functionality in different payment scenarios. First, we have designed a solution to reduce the likelihood of a merchant of being deceived when accepting zero-confirmation transactions. Finally, we have designed a fair protocol for data trading using Bitcoin, where the exchange between data and coins is performed atomically.