Fully on-chain blockchain systems: a feasibility analysis based on LogLog and ZipZap

Muñoz, Mario Felipe (2021). Fully on-chain blockchain systems: a feasibility analysis based on LogLog and ZipZap. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This thesis compares two separate tokenization systems to ascertain the contexts where a fully on-chain approach is viable. Both systems were developed by the author, featuring somewhat homologous functionality in spite of great differences in industrial context and performance. Note that although the work on LogLog has been published already, work on ZipZap is still ongoing. Thus, descriptions of the latter will not be as rigorous as with the former.

LogLog

When it comes to sustainability, many certification systems live and die by their capacity to track a volume from source to destination. This is because customers (and consequently, auditors) are increasingly concerned with where products are sourced (“Are these local materials?”) and what is their environmental impact is (“How much CO2 did this generate? Was this made from recycled goods?”). The Forest Sustainability Council (FSC), one of the largest forestry authorities in North America, created many of its standards and frameworks to meet these market demands. The FSC is responsible for tracking the provenance of all wood volumes that its members use and labelling the volumes accordingly. Though widely respected, their certifications rely on trusted third parties and extensive record keeping, two characteristics that do not efficiently address problems like bribery and “creative” inventory practices. Blockchain technology is an attractive solution, since it offers many novel and valuable improvements to provenance-based certifications, such as increased traceability, auditability and access to information. However, distributed ledger systems are not without their limitations. Notably, they are often inefficient in their capacity to store large amounts of data and/or metadata, which is why many researches often suggest a multiple-database approach where large files are kept off-chain. That type of design entails significant trade-offs for the sake of lower transaction fees: imperfect traceability (changes to off-chain files are not necessarily tracked), lower availability (introducing more systems that all need to be up) and a diminished level of informational integrity (off-chain files are much more easily modified).

In contrast with these approaches, we propose LogLog: an entirely on-chain system for tracking wood volumes throughout a supply chain and enforcing FSC certification standards. LogLog is ERC-1155 compliant and meets the base requirements for a forestry supply chain. Our Proof-of- Concept demonstrates the power and flexibility of smart contracts when expressing complex domain-specific semantics related to supply chains in the forest industry (like determining the correct labelling for a volume using the FSC category matrix, or calculating the FSC percentage of a volume, for example).

We successfully implemented two reference implementations of our design using Solidity and deployed them over the Ethereum blockchain. Our evaluation uses realistic parameters and suggests our prototype is a viable alternative to current multiple-database systems in contexts where data integrity is a strict requirement.

ZipZap

In the last few years, the energy industry has increasingly invested into smart grid technologies. Smart grids are power grids with a high degree of automation and enhanced data collection capacities. However, another concurrent industry trend is the decentralization of the aforementioned power grids. More data means more risks and although a higher degree of decentralization means greater availability, it also results in a massive attack surface area increase. These facts have been some of the primary motivations driving industry specialists to consider blockchain systems to help automate operations (using smart contracts) and ensure data integrity (due to blockchains’ inherent cryptographic characteristics).

HydroQuebec is no exception to this trend. Having a vested interest in developing possible ways to integrate DLTs into smart grids, they sponsored our research into the topic. ZipZap is the first step towards a full-fledged blockchain-based smart grid system. At its current development stage, ZipZap is a blockchain solution for local energy tokenization, although its range of use cases will expand to include at least some form of price bidding and IoT integration. Also, just like LogLog, ZipZap is ERC-1155 compliant.

We created three ZipZap prototypes: Heavyweight, Featherweight and Lightweight. The first one is fully on-chain, and the two latter are hybridized. All three were developed in Solidity and deployed using Ethereum. Our evaluation uses realistic parameters and suggests that although none of the current prototypes are economically viable, changes in scale and/or choice of blockchain system could easily result in a viable alternative with otherwise minimal data structure modifications.

Titre traduit

Systèmes de chaînes de blocs entièrement sur la chaîne: une analyse de faisabilité basée sur LogLog et ZipZap

Résumé traduit

Cette thèse compare deux systèmes de tokénisation distincts pour déterminer les contextes où une approche entièrement sur la chaîne est viable. Les deux systèmes ont été développés par l’auteur, mettant en vedette des fonctionnalités quelque peu homologues malgré de grandes différences dans le contexte industriel. Notez que bien que le travail sur LogLog a déjà été publié, le travail sur ZipZap est toujours en cours. Ainsi, des descriptions de ce dernier ne seront pas aussi rigoureuses qu’avec le premier.

LogLog

En matière de développement durable, de nombreux systèmes de certification vivent et meurent selon leur capacité à suivre un volume de la source à destination. En effet, les clients (et par conséquent, les auditeurs) sont de plus en plus préoccupés par l’origine des produits. Le Forest Stewardship Council (FSC), l’une des plus grandes autorités forestières de l’Amérique du Nord, a créé de nombreuses normes et cadres pour répondre à ces demandes de marché. Le FSC est responsable du suivi de la provenance de tous les volumes de bois que ses membres utilisent tout en étiquetant les volumes en conséquence. Bien que très respectée, leurs certifications s’appuient sur des tiers de confiance et des dossiers approfondis, deux caractéristiques qui n’addressent pas efficacement des problèmes tels que la corruption et les pratiques d’inventaire «créatives». Les chaînes de blocs sont une solution attrayante, car elles offrent de nombreuses améliorations nouvelles et précieuses pour les certifications à base de provenance, telles que la traçabilité accrue, l’auditabilité et l’accès à l’information. Toutefois, ces systèmes ne sont pas sans leurs limitations. Notamment, ils sont souvent inefficaces en leur capacité de stocker de grandes quantités de données et/ou de métadonnées, c’est pourquoi de nombreuses recherches suggèrent souvent une approche avec multiples bases de données où les fichiers importants sont tenus hors chaîne. Ce type de conception implique des compromis importants pour des frais de transaction plus faibles: traçabilité imparfaite (les modifications apportées aux fichiers hors chaîne ne sont pas nécessairement suivies), disponibilité plus basse (introduisant davantage de systèmes qui doivent tous être élaborés) et un niveau diminué d’intégrité informationnelle (les fichiers hors chaîne sont beaucoup plus facilement modifiés).

Contrairement à ces approches, nous proposons LogLog: un système entièrement sur chaîne qui suit des volumes de bois tout au long d’une chaîne d’approvisionnement et applique les normes de certification de la FSC. LogLog est conforme à ERC-1155 et répond aux exigences de base pour une chaîne d’approvisionnement forestière. Notre preuve de concept démontre la puissance et la flexibilité des contrats intelligents lorsqu’ils exprime une sémantique complexe spécifique au domaine relatif aux chaînes d’approvisionnement dans l’industrie forestière (comme classifier un volume à l’aide de la matrice de catégories FSC ou calculer le pourcentage FSC d’un volume, par exemple).

Nous avons mis en oeuvre avec succès deux implémentations de référence de notre conception avec Solidity et nous les avons déployées en Etherium. Notre évaluation utilise des paramètres réalistes et suggère que notre prototype est une alternative viable aux systèmes de base de données multiples actuels dans des contextes où l’intégrité des données est une exigence stricte.

ZipZap

Au cours des dernières années, l’industrie de l’énergie a de plus en plus investi dans les technologies de réseaux energetiques intelligents. Les réseaux électriques intelligents sont des réseaux électriques avec un degré élevé d’automatisation et des capacités améliorées de collecte de données. Une autre tendance de l’industrie est la décentralisation des réseaux électriques susmentionnées. Plus de données signifient plus de risques et bien qu’un degré de décentralisation plus élevé signifie une plus grande disponibilité, il entraîne également une augmentation massive de la surface d’attaque. Ces faits font partie des principales motivations des spécialistes de l’industrie à prendre en compte les systèmes de chaîne de blocs pour aider à automatiser les opérations (à l’aide de contrats intelligents) et à assurer l’intégrité des données (en raison de caractéristiques cryptographiques inhérentes aux chaînes de blocs).

Hydroquebec ne fait pas exception à cette tendance. Ayant un intérêt direct pour développer des moyens d’intégrer les DLT dans des réseaux energetiques intelligents, ils ont subventionné nos recherches sur le sujet. ZipZap est la première étape vers un réseaux energetique intelligent à base de chaînes de blocs. À son stade de développement actuel, ZipZap est une solution de chaîne de blocs pour la tokénisation de l’énergie locale, bien que sa gamme d’utilisations se développe pour inclure au moins une forme d’enchère energetique et inclure des cas d’utilisation réliés à l’IoT. En outre, tout comme LogLog, ZipZap est conforme à ERC-1155.

Nous avons créé trois prototypes ZipZap: Heavyweight, Featherweight et Lightweight. Le premier est entièrement en chaîne et les deux derniers sont hybrides. Les trois ont été développés en Solidity et déployés en utilisant Ethereum. Notre évaluation utilise des paramètres réalistes et suggère que, bien qu’aucun des prototypes actuels ne soit économiquement viable, des modifications de l’échelle et/ou le choix du système de chaîne de blocs pourraient facilement entraîner une alternative viable avec des modifications minimales.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree with thesis in software engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 103-106).
Mots-clés libres:	chaîne de blocs, normes de tokénisation, certification forestière, tokénisation de l’énergie
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Zhang, Kaiwen
Codirecteur:	Codirecteur Ouhimmou, Mustapha
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie des technologies de l'information
Date de dépôt:	23 nov. 2021 15:42
Dernière modification:	23 nov. 2021 15:42
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2794

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