Decentralized Document Verification Using Taproot on Bitcoin Blockchain. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Master Thesis) thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 5 June 2027. Download (1MB)

Arabic Abstract

تتطلب عملية التحقق الآمن من المستندات الرقمية في البيئات الموزعة آليات تضمن سلامة البيانات، ومصداقية الجهة المصدرة، وإمكانية الإلغاء بكفاءة، دون الاعتماد على بنى تحتية مركزية للتحقق. تعتمد الأساليب التقليدية على وسطاء موثوقين وخدمات متصلة بشكل مستمر، مما يؤدي إلى قيود في قابلية التوسع وافتراضات إضافية للثقة. تقدم هذه الرسالة بروتوكولًا أصليًا لبيتكوين للتحقق اللامركزي من المستندات الرقمية، يعتمد على التزام (commitment) باستخدام Taproot ومثبت ضمن مخرج واحد من نوع Pay-to-Taproot (P2TR). يقوم التصميم المقترح بتجميع تجزئات المستندات ضمن شجرة ميركل، ويتم تضمين الجذر الناتج داخل مفتاح خرج Taproot، مما يتيح تثبيتًا على السلسلة بتكلفة ثابتة. يتم تحقيق مصداقية الجهة المصدرة باستخدام توقيعات Schnorr على تجزئات المستندات ويتم التحقق منها خارج السلسلة، ويتم ربطها بالبنية الملتزم بها من خلال إعادة بناء مفتاح Taproot والتحقق من مطابقته للعنوان الموجود على السلسلة. تضمن هذه العملية أن التوقيعات الصحيحة وإثباتات الانتماء مرتبطة بالالتزام الصحيح. بينما تتم معالجة الإلغاء من خلال آلية ربط المعاملات، والتي تفصل بين حالة الإصدار غير القابلة للتغيير وحالة الإلغاء الديناميكية المنشورة على السلسلة. يتيح هذا التصميم تحققًا خفيفًا، حيث يمكن للمدققين إعادة بناء الالتزام والتحقق من البراهين دون الحاجة للوصول إلى مجموعة المستندات كاملة. تم تطوير نموذج أولي (Proof-of-Concept) باستخدام Bitcoin Core ضمن بيئة اختبار محكومة (regtest). تم تقييم حجم البرهان، وزمن التحقق، وحجم معاملات الإلغاء بوحدة vBytes كدوال لحجم الدفعة. أظهرت النتائج التجريبية أن حجم البرهان وتعقيد التحقق ينموان لوغاريتميًا O(log N)، بينما تبقى تكلفة التثبيت ثابتة. كما ينمو حجم معاملات الإلغاء خطيًا مع عدد المستندات نتيجة لاستخدام ترميز bitmap، بما يتوافق مع النموذج النظري. تُظهر النتائج أن البروتوكول المقترح يوفر حلاً قابلاً للتوسع ويحافظ على الخصوصية للتحقق اللامركزي من المستندات الرقمية، معتمداً على بدائيات بيتكوين الحالية دون الحاجة إلى تعديل البروتوكول أو الاعتماد على أطراف ثالثة موثوقة.

English Abstract

Secure verification of digital documents in distributed environments requires mechanisms that ensure integrity, issuer authenticity, and efficient revocation without relying on centralized verification infrastructures. Traditional approaches depend on trusted intermediaries and continuous online services, introducing scalability limitations and additional trust assumptions. This thesis presents a Bitcoin-native protocol for decentralized document verification based on a Taproot-enabled commitment anchored in a single Pay-to-Taproot (P2TR) output. The proposed construction aggregates document hashes into a Merkle tree and commits the resulting root within the Taproot output key, enabling constant-cost on-chain anchoring. Issuer authenticity is achieved through Schnorr signatures over document hashes, verified off-chain, and bound to the committed structure through Taproot key reconstruction. The verifier recomputes the Taproot output key from the provided proof and validates that it matches the on-chain address, ensuring that valid signatures and document inclusion correspond to the correct commitment. Revocation is handled through a transaction chaining mechanism that separates immutable issuance commitments from dynamic revocation states encoded on-chain. This design enables lightweight verification, where verifiers reconstruct the commitment and validate proofs without requiring access to the full document set. A proof-of-concept implementation was developed using Bitcoin Core in a controlled regtest environment. The evaluation measures proof size, verification time, and revocation transaction size in virtual bytes (vBytes) as functions of the batch size. Experimental results show that proof size and verification complexity grow logarithmically, O(log N), while the anchoring footprint remains constant. Revocation transaction size grows linearly with the number of tracked documents due to bitmap encoding, consistent with the theoretical model. The results demonstrate that the proposed protocol provides a scalable and privacy-preserving solution for decentralized document verification using existing Bitcoin primitives without requiring protocol modifications or trusted third-party infrastructure.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Computer
Department:	College of Computing and Mathematics > Information and Computer Science
Thesis Advisor:	Sultan Al-muhammadi,
Thesis Committee Members:	Farag Azzedin, Md Mahfuzur Rahman,
Depositing User:	JUAN CRESPO VARGAS
Date Deposited:	07 Jun 2026 05:24
Last Modified:	07 Jun 2026 05:24
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144515