Blockchain bridges and security : enabling secure interoperability across blockchains and external systems

Abstract

Blockchain is a technology that is being increasingly adopted across a wide range of industries. But due to siloed nature of separate blockchains, implementing secure cross-chain and blockchain-to-external system interoperability mechanisms continues being a major challenge. One such mechanism is a blockchain bridge, which can be used to not only to facilitate asset transfers, but also to exchange data across different blockchains. Since one of the greatest advantages of blockchains is their tamper-proof nature, they have significant implications for areas such as supply chain security, where ensuring integrity and authenticity of shipments is crucial.

The main goal of the thesis is to analyse how blockchain bridges enable interoperability between blockchains and external systems, alongside identifying the primary security concerns. The goals of the research were achieved leveraging a hybrid research approach, meaning both analysing the existing interoperability models and security mechanisms from theoretical perspective, as well as building a working proof-of-concept system that combines a PostgreSQL database with two Ethereum blockchains ran locally. Shipment records are stored off-chain in the PostgreSQL database, and cryptographic hashes of each record are stored on both blockchains, enabling means of authenticity verification. The research results indicated that verification via blockchain would indeed enhance data security and would allow detection of even the tiniest unauthorized modifications. The research also highlighted the possible security risks in cross-chain interactions, such as data consistency issues and attack vectors related to failed message delivery and trust assumptions in relayers. Future works are set to explore further decentralization in similar systems, simultaneously improving the scalability.

Lohkoketju on teknologia, jota käytetään yhä enemmän yhä useammilla teollisuuden aloilla, mutta koska erilliset lohkoketjut ovat luonnostaan eristettyjä, niin turvallisten lohkoketjujen välisten sekä lohkoketju-ulkoisten järjestelmien yhteentoimivuusratkaisujen toteuttaminen on edelleen iso haaste. Yksi näistä mahdollisista ratkaisuista on lohkoketjusilta, jota voidaan käyttää paitsi helpottamaan pääomien siirtämistä, myös datan siirtämiseen eri lohkoketjujen välillä. Koska lohkoketjujen isoin etu on niiden muuttumattomuus, niille löytyy todella paljon käyttöarvoa eri aloilla, esimerkiksi toimitusketjujen turvallisuuteen logistiikassa, missä lähetysten yhtenäisyyden ja aitouden varmistaminen on elintärkeää.

Tämän opinnäytetyön päätavoitteena on analysoida, miten lohkoketjusillat voivat mahdollistaa yhteentoimivuuden lohkoketjujen ja ulkoisten järjestelmien välillä, sekä analysoida tähän liittyviä haavoittuvuuksia. Nämä tavoitteet saavutettiin hyödyntämällä hybriditutkimusmallia, jossa analysoitiin olemassa olevia yhteentoimivuusratkaisuja ja turvallisuusmekanismeja teoreettisesta perspektiivistä, sekä myös rakentamalla toimiva proof-of-concept-järjestelmä, joka yhdistää PostgreSQL-tietokannan kahteen paikalliseen Ethereum-lohkoketjuun. Lähetystietoja varastoidaan PostgreSQL-tietokannassa lohkoketjujen ulkopuolella ja jokaisen lähetyksen hash-arvo tallennetaan lohkoketjuihin. Tutkimusten tulokset viittaavat siihen, että tietojen varmentaminen lohkoketjun avulla voi parantaa tietoturvaa ja myös sallia jopa pienimpien luvattomien tietojen muokkausten havaitsemisen. Tutkimus toi esiin myös mahdollisia tietoturvariskejä lohkoketjujen välisissä vuorovaikutuksissa, kuten viestinvälityksen epäonnistumiset ja luottamusolettamukset välittäjissä. Tulevat tutkimukset tulevat mahdollisesti keskittymään hajauttamisen lisäämiseen vastaavissa systeemeissä, joka voi samalla parantaa sen skaalautuvuutta.