We present an Ethash-based blockchain relay that utilizes Off-Chain Computation (OCC) to validate block headers on-chain. Current work compromises on fundamental ideas of the blockchain concept: they either require a centralized entity, require a centralized Trusted Third Party (TTP) or are built on economic assumptions. That way, they try to circumvent the on-chain cost-heavy Ethash computation. We utilize Zero Knowledge Proofs (ZKPs) to outsource the Ethash validation to an Off-Chain Computation Framework (OCCF) and only verify the validity of the OCC on-chain. The required dataset for the Ethash validation is inserted into a merkle tree for computational feasibility. Additionally, we validate multiple block headers in batches to further minimize on-chain costs. The on-chain costs of our batch validation mechanism are minimal and constant since only the proof of an OCC is verified on-chain. Through merkle proofs we enable the efficient inclusion of intermediary block headers for any submitted batch. The OCC is feasible on average consumer hardware specifications. Our prototype verifies 5 block headers in a single proof using the ZoKrates framework. Compared to current approaches we only use 3.3% of the gas costs resulting in a highly scalable alternative that is trustless, distributed and has no economic assumptions. For future work, we propose to distribute the computational overhead of computing Ethash inside a ZKP through an off-chain distribution module. This is because we rely on the concurrent execution of the OCC by at least 36 active participants to catch up with the current state of the relay’s blockchain.

Vi presenterar ett Ethash-baserat blockchain-relä som använder sig av Off-Chain Computation (OCC) att validera blockhuvuden i kedjan. Nuvarande arbete kompromissar med grundläggande idéer om blockchain-konceptet: de kräver antingen en centraliserad enhet, kräver en centraliserad Trusted Third Party (TTP) eller bygger på ekonomiska antaganden. På så sätt försöker de kringgå den kostnadstunga Ethash-beräkningen på kedjan. Vi använda Zero Knowledge Proof (ZKP) för att lägga ut Ethash-valideringen på en Off-Chain Computation Framework (OCCF) och verifiera endast giltigheten av OCC på kedjan. Den nödvändiga datamängden för Ethash-valideringen är infogas i ett merkleträd för beräkningsmöjlighet. Dessutom validerar vi flera blockhuvuden i omgångar för att ytterligare minimera kostnader i kedjan. På-kedjan kostnaderna för vår batchvalideringsmekanism är minimala och konstanta eftersom endast bevis på en OCC verifieras i kedjan. Genom merkle proofs möjliggör vi det effektiva inkludering av mellanliggande blockrubriker för alla inlämnade partier. OCC är genomförbart i genomsnitt konsumenthårdvaruspecifikationer. Vår prototyp verifierar 5 blockhuvuden i ett enda bevis med hjälp av ZoKrates-ramverket. Jämfört med nuvarande tillvägagångssätt vi använder bara 3,3% av gaskostnaderna vilket resulterar i ett mycket skalbart alternativ dvs förtroendelös, distribuerad och har inga ekonomiska antaganden. För framtida arbete, föreslår vi för att distribuera beräkningsoverheaden för beräkning av Ethash inuti en ZKP genom en distributionsmodul utanför kedjan. Detta beror på att vi skulle förlita oss på det samtidiga utförandet av OCC med minst 36 aktiva deltagare för att komma ikapp med det aktuella tillståndet för reläets blockkedja.