Komplexe Berechnungen und dezentralisierte Optimierung in Blockchain-Architekturen

Der letzte Themenblock der Beitragsserie zu „Blockchain Deep Dives“ widmet sich dem Thema Optimierung im Kontext einer Blockchain-basierten Energieplattform. In der vorgestellten Veröffentlichung werden sowohl die Grundlagen des Themenfeldes „Verifiable Computation“ eingeführt als auch die Vor- und Nachteile der vier wichtigsten Ansätze für Blockchain-basierte Optimierungen evaluiert.

Übersicht über die Beitragsserie zum Thema Blockchain Deep Dives: 

1. Hashing und Merkle Trees für datenschutzgerechte Dokumentation
   • Grundlagen zu Hash-Funktionen und Hash-Bäumen (Merkle Trees)
   • Anwendung zum Nachweis der Integrität von Daten
2. Zero-Knowledge Proofs für den Nachweis korrekter Mengenbilanzen ohne Offenlegung der Daten
   • Grundlagen zu Zero Knowledge Proofs
   • Anwendung zum Beweis von Dateneigenschaften oder korrekter Berechnung
3. Komplexe Berechnungen und dezentralisierte Optimierung in Blockchain-Architekturen

Im Rahmen der Veröffentlichung „Analysis and Application of Verifiable Computation Techniques in Blockchain Systems for the Energy Sector“ wurden verschiedene Varianten zur Auslagerung komplexer Berechnungen in verteilten Systemen analysiert und exemplarisch angewandt 1. Die Grundlage hierfür stammt u. a. aus einer Masterarbeit, die an der FfE in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Software Engineering for Business Information Systems an der Technische Universität München erstellt wurde.2

Grundlage und Motivation der Arbeit waren dabei insbesondere die Anforderungen dezentraler Energiemärkte an eine optimierte Zuteilung von Energieprodukten. Eine Systemarchitektur mit Anwendung von Distributed-Ledger-Technologien erwies sich hierbei als nicht ausreichend skalierbar und performant bei gleichzeitiger Einhaltung der Datenschutz-Vorgaben. Diese Herausforderungen sind neben den begrenzten Speicher- und Rechenressourcen auch dem verteilten Charakter der Netzwerke geschuldet. Verifizierbare Berechnungsmethoden versprechen eine Lösung für diese Probleme.

Die Publikation gibt einen Überblick zu überprüfbaren Rechentechniken, einschließlich „Trusted Oracles“, „zkSNARKs“ und „Multi-Party-Computation“ (siehe Abbildung 1).

Im Speziellen wird ihre Anwendung in energiewirtschaftlichen Blockchain-Umgebungen geprüft. Anhand eines konkreten Optimierungsproblems bei der Allokation von Herkunftsnachweis-Zertifikaten für erneuerbare Energien wurden die Lösungsansätze evaluiert und anschließend demonstriert. Abbildung 2 zeigt eine high-level Bewertung anhand der relevantesten Kriterien.

In der anschließenden Fallstudie wurde die Implementierung des Simplex-Algorithmus als zkSNARK durchgeführt. Die finale Bewertung zeigt die Chancen und Herausforderungen bei der Anwendbarkeit der beschriebenen Verifiable Computation Techniken auf. Abschließend wird eine Perspektive für den großflächigen Einsatz und der Ausblick auf aktuelle Entwicklungstrends gezeigt.