Decentralized systems frameworks for transactional data analytics

Abstract

The emergence of decentralized systems, blockchain technologies, and cryptocurrency applications marks a new era of digital transactions and financial interactions. These advancements hold immense potential for transforming traditional systems; however, their adoption and practical implementation are hindered by multifaceted challenges. These challenges encompass technical, regulatory, and usability issues, including transaction pattern analysis in pseudo-anonymous environments, privacy and efficiency in lightweight Bitcoin clients, the influence of social media on cryptocurrency markets, the design of secure decentralized applications, reliable recovery methods for cryptocurrency wallets, and performance optimization in fog-based database management. This thesis systematically addresses these critical challenges, presenting a series of targeted contributions that explore diverse yet complementary aspects of decentralized technologies. The contributions span a broad spectrum of topics, and while each contribution tackles a distinct problem, they collectively underscore the shared challenges of enhancing security, scalability, and usability in decentralized systems. The first contribution focuses on the classification of Bitcoin transactions within a pseudoanonymous ecosystem. The thesis introduces an unsupervised clustering framework that relies solely on intrinsic blockchain data, bypassing the need for external labeling. This framework uncovers behavioral patterns in Bitcoin transactions, such as common user activities, exchanges, mining operations, and potential illicit behavior, providing a foundation for deeper analysis of decentralized ecosystems. The second contribution examines the trade-offs between privacy and efficiency in lightweight Bitcoin clients using Bloom filters. The work evaluates how varying false positive rates impact privacy, resource consumption, and security risks. This analysis sheds light on optimization strategies to balance privacy with resource constraints, addressing challenges critical to the scalability and security of lightweight Bitcoin solutions.The third contribution explores the dynamic relationship between social media activity and Bitcoin market trends. By analyzing data from the Reddit platform, the thesis identifies significant correlations between online discourse and key market metrics such as price fluctuations and trading volume. This research bridges the gap between digital communication and financial market analysis, providing a framework for understanding and leveraging investor sentiment in cryptocurrency ecosystems. The fourth contribution focuses on designing decentralized frameworks that ensure privacy, security, and trustworthiness. The thesis introduces DeTRACT, a blockchain-based decentralized public key infrastructure (PKI), and DeCStor, a secure file-sharing architecture that integrates strong encryption with decentralized storage. These frameworks address key challenges in trust, usability, and scalability, demonstrating how decentralized systems can replace traditional centralized solutions effectively. The fifth contribution addresses the issue of secure and reliable recovery phrase retention in cryptocurrency wallets. A gamified solution, MnemonicMaker, incorporates the Method of Loci, a proven spatial memory technique, into an engaging framework that enhances users' ability to recall recovery phrases over extended periods. This contribution not only addresses a critical security concern but also improves the overall user experience for cryptocurrency adoption. The sixth and final contribution provides a comparative performance analysis of distributed in-memory database systems—Apache Ignite and Redis—within fog computing environments. By benchmarking these systems under various workloads and network conditions, the thesis evaluates performance trade-offs between advanced features like ACID compliance and the high-speed efficiency of Redis. This analysis offers practical guidance for selecting database systems that balance feature requirements and performance in dynamic, resource-constrained fog ecosystems. By addressing these six challenges through targeted contributions, this thesis advances the state of knowledge and practice in decentralized and the relevant issues in distributed systems. The findings provide foundational insights into enhancing the security, privacy, usability, and performance of blockchain-based applications, paving the way for their broader adoption and practical implementation in diverse contexts.

Οι αποκεντρωμένες τεχνολογίες έχουν αναδειχθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια σε πολλαπλούς τομείς, αντικαθιστώντας σε πολλές περιπτώσεις τα παραδοσιακά κεντροποιημένα συστήματα, διανέμοντας τον έλεγχο και τη λήψη αποφάσεων σε ένα δίκτυο συμμετεχόντων. Αυτή η προσέγγιση προσφέρει μεγαλύτερη διαφάνεια, ανθεκτικότητα και ενσωμάτωση, μειώνοντας τις ευπάθειες και τις αναποτελεσματικότητες των κεντροποιημένών συστημάτων. Οι εφαρμογές των αποκεντρωμένων τεχνολογιών κυμαίνονται από το διαμοιρασμό αρχείων με συστήματα ομότιμων χρηστών μέχρι την ψηφιακή ανταλλαγή περιουσιακών στοιχείων, αναδιαμορφώνοντας τον τρόπο διαχείρισης και ανταλλαγής πληροφοριών, περιουσιακών στοιχείων και πόρων. Ένα από τα πιο σημαντικά παραδείγματα αποκεντρωμένων τεχνολογιών είναι το blockchain, ένα σύστημα που διασφαλίζει ασφαλείς, διαφανείς και αμετάβλητες καταγραφές συναλλαγών. Οι τεχνικές κρυπτογραφίας και οι μηχανισμοί συναίνεσης του blockchain επιτρέπουν τη συνεργασία των συμμετεχόντων χωρίς την ανάγκη ύπαρξης εμπιστοσύνης, μειώνοντας την εξάρτηση από ενδιάμεσους και ελαχιστοποιώντας τους κινδύνους απάτης ή παραποίησης. Η αποκεντρωμένη φύση του blockchain δίνει τη δυνατότητα σε άτομα και οργανισμούς να διατηρούν καλύτερο έλεγχο των δεδομένων και των περιουσιακών τους στοιχείων. Το Bitcoin, το οποίο παρουσιάστηκε το 2009 από τον Satoshi Nakamoto, πρωτοστάτησε στην τεχνολογία δημόσιου blockchain. Καθιέρωσε ένα αποκεντρωμένο σύστημα ομότιμων χρηστών για ψηφιακές συναλλαγές, εξαλείφοντας την ανάγκη για ενδιάμεσους και ξεκινώντας μια τεχνολογική επανάσταση. Το σύστημα ψευδο-ανώνυμων συναλλαγών του Bitcoin παρουσιάζει πολυπλοκότητες στη μελέτη της συμπεριφοράς χρηστών και της ασφάλειας δικτύου, ενώ διατηρεί τη θέση του ως το πιο ασφαλές και ευρέως αποδεκτό κρυπτονόμισμα. Η επιτυχία του Bitcoin ενέπνευσε χιλιάδες εναλλακτικά κρυπτονομίσματα, μερικά από τα οποία, όπως το Ethereum, επέκτειναν τις δυνατότητες του blockchain εισάγοντας λειτουργικότητες όπως τα έξυπνα συμβόλαια. Το Ethereum επιτρέπει την ανάπτυξη αποκεντρωμένων εφαρμογών (dApps) και αυτοματοποιεί συναλλαγές, προωθώντας την καινοτομία σε τομείς όπως η διαφάνεια εφοδιαστικής αλυσίδας και τα ασφαλή συστήματα ψηφοφορίας.Πέρα από τα κρυπτονομίσματα, το blockchain έχει αποδειχθεί μια ευέλικτη τεχνολογία, οδηγώντας σε προόδους στις αποκεντρωμένες χρηματοοικονομικές υπηρεσίες (DeFi), την ασφαλή ανταλλαγή δεδομένων και την επαλήθευση ταυτότητας. Παρά τις προκλήσεις, όπως η δημιουργία φιλικών προς τον χρήστη και αξιόπιστων μεθόδων ανάκτησης για πορτοφόλια κρυπτονομισμάτων, το blockchain συνεχίζει να εξελίσσεται και να εμπνέει καινοτόμες εφαρμογές. Το fog computing είναι ένα άλλο αποκεντρωμένο παράδειγμα που επεξεργάζεται δεδομένα πιο κοντά στην πηγή τους, μειώνοντας την καθυστέρηση, βελτιώνοντας τους χρόνους απόκρισης και ενισχύοντας την ασφάλεια, διατηρώντας ευαίσθητες πληροφορίες τοπικά. Σε αντίθεση με το παραδοσιακό cloud computing, το fog computing διανέμει πόρους στο δίκτυο, αξιοποιώντας συσκευές όπως δρομολογητές ή βιομηχανικούς ελεγκτές για την επεξεργασία και αποθήκευση δεδομένων. Αυτή η αρχιτεκτονική είναι ιδιαίτερα πολύτιμη για εφαρμογές Internet of Things (IoT), όπου η λήψη αποφάσεων με χαμηλή καθυστέρηση είναι κρίσιμη. Το fog computing και το blockchain μοιράζονται κοινούς στόχους, όπως ο τοπικός έλεγχος, η αυτονομία, η ανθεκτικότητα και η ανοχή στις βλάβες. Και στις δύο περιπτώσεις τα συστήματα προστατεύονται σημαντικά από αποτυχίες σύνδεσης: τα δίκτυα blockchain συνεχίζουν να λειτουργούν παρά τις αποτυχίες κόμβων, και τα συστήματα fog ανακατευθύνουν δυναμικά τις εργασίες σε διαθέσιμους πόρους άκρων (edge nodes) κατά τη διάρκεια διακοπών. Το blockchain διασφαλίζει τα ψηφιακά περιουσιακά στοιχεία χωρίς μεσάζοντες, ενώ το fog computing εκδημοκρατίζει την πρόσβαση στους υπολογιστικούς πόρους διανέμοντας την επεξεργαστική ισχύ. Μια βασική πρόκληση στο fog computing αφορά την εξισορρόπηση προηγμένων λειτουργιών, όπως η επεξεργασία σύνθετων ερωτημάτων ή οι αναλύσεις σε πραγματικό χρόνο, με τα πλεονεκτήματα χαμηλής καθυστέρησης και αποδοτικότητας που το χαρακτηρίζουν. Η επίτευξη αυτής της ισορροπίας διασφαλίζει ότι το fog computing διατηρεί τα πλεονεκτήματα απόδοσής του ενώ ενσωματώνει τις επιθυμητές λειτουργικότητες. Συνολικά, το blockchain και το fog computing ενσαρκώνουν τις δυνατότητες των αποκεντρωμένων τεχνολογιών να ενδυναμώνουν άτομα και οργανισμούς, να ενισχύουν την ασφάλεια και να προωθούν καινοτόμα, αξιόπιστα και αποδοτικά συστήματα σε ποικίλους τομείς. Η παρούσα διατριβή αντιμετωπίζει συστηματικά αυτές τις κρίσιμες προκλήσεις, παρουσιάζοντας μια σειρά στοχευμένων συνεισφορών που εξερευνούν διαφορετικές αλλά συμπληρωματικές πτυχές των αποκεντρωμένων τεχνολογιών. Οι συνεισφορές καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα θεμάτων, και ενώ κάθε συνεισφορά αντιμετωπίζει ένα ξεχωριστό πρόβλημα, συλλογικά υπογραμμίζουν τις κοινές προκλήσεις για τη βελτίωση της ασφάλειας, της επεκτασιμότητας και της ευχρηστίας στα αποκεντρωμένα συστήματα. Η πρώτη συνεισφορά εστιάζει στην ταξινόμηση των συναλλαγών Bitcoin μέσα στο ψευδοανώνυμο οικοσύστημά του. Η διατριβή εισάγει ένα πλαίσιο ομαδοποίησης χωρίς επίβλεψη που βασίζεται αποκλειστικά σε εγγενή δεδομένα του blockchain, παρακάμπτοντας την ανάγκη για εξωτερικές επισημάνσεις. Αυτό το πλαίσιο αποκαλύπτει συμπεριφορικά μοτίβα στις συναλλαγές Bitcoin, όπως κοινές δραστηριότητες χρηστών και συναλλαγές, καθώς και πιθανές παράνομες ενέργειες, παρέχοντας μια βάση για βαθύτερη ανάλυση αποκεντρωμένων οικοσυστημάτων. Η δεύτερη συνεισφορά εξετάζει τις ισορροπίες μεταξύ ιδιωτικότητας και αποδοτικότητας σε ελαφρές εφαρμογές πελάτες του δικτύου του Bitcoin οι οποίες χρησιμοποιούν φίλτρα Bloom. Η διατριβή εξετάζει πως οι ρυθμίσεις και η λειτουργία των φίλτρων Bloom επηρεάζουν την ιδιωτικότητα, την κατανάλωση πόρων και τους κινδύνους ασφάλειας. Η ανάλυση που πραγματοποιείται προσφέρει στρατηγικές βελτιστοποίησης για την ισορροπία της ιδιωτικότητας με τους περιορισμούς πόρων, αντιμετωπίζοντας προκλήσεις κρίσιμες για την επεκτασιμότητα και την ασφάλεια των ελαφρών εφαρμογών πελατών του δικτύου του Bitcoin. Η τρίτη συνεισφορά εξερευνά τη δυναμική σχέση μεταξύ δραστηριότητας στα κοινωνικά μέσα και τάσεων στις αγορές του Bitcoin. Αναλύοντας δεδομένα από την πλατφόρμα Reddit, η διατριβή αναγνωρίζει σημαντικές συσχετίσεις μεταξύ διαδικτυακών συζητήσεων και βασικών χρηματιστηριακών μετρήσεων, όπως οι διακυμάνσεις τιμών και ο όγκος συναλλαγών του Bitcoin. Έτσι γεφυρώνεται το χάσμα μεταξύ ψηφιακής επικοινωνίας και ανάλυσης χρηματοοικονομικών αγορών, παρέχοντας ένα πλαίσιο κατανόησης και αξιοποίησης του επενδυτικού κλίματος στα οικοσυστήματα κρυπτονομισμάτων. Η τέταρτη συνεισφορά εστιάζει στον σχεδιασμό αποκεντρωμένων πλαισίων που διασφαλίζουν ιδιωτικότητα, ασφάλεια και αξιοπιστία. Η διατριβή εισάγει το DeTRACT, ένα αποκεντρωμένο πλαίσιο για υποδομές δημόσιου κλειδιού (PKI) βασισμένο στο blockchain, και το DeCStor, μια αρχιτεκτονική ασφαλούς κοινής χρήσης αρχείων που ενσωματώνει ισχυρή κρυπτογράφηση με αποκεντρωμένη αποθήκευση. Αυτά τα πλαίσια αντιμετωπίζουν βασικές προκλήσεις στην εμπιστοσύνη, την ευχρηστία και την επεκτασιμότητα, αποδεικνύοντας πώς τα αποκεντρωμένα συστήματα μπορούν να αντικαταστήσουν παραδοσιακές κεντροποιημένες λύσεις αποτελεσματικά. Η πέμπτη συνεισφορά αντιμετωπίζει το ζήτημα της ασφαλούς και αξιόπιστης διατήρησης φράσεων ανάκτησης σε πορτοφόλια κρυπτονομισμάτων. Μια λύση βασισμένη σε παιχνίδι σοβαρού σκοπού, το MnemonicMaker, ενσωματώνει τη Μέθοδο του Loci, μια αποδεδειγμένη τεχνική χωρικής μνήμης, σε ένα ελκυστικό πλαίσιο που ενισχύει την ικανότητα των χρηστών να θυμούνται φράσεις ανάκτησης για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Αυτή η συνεισφορά όχι μόνο αντιμετωπίζει ένα κρίσιμο πρόβλημα ασφάλειας αλλά και βελτιώνει τη συνολική εμπειρία χρήσης για την ευρύτερη υιοθέτηση κρυπτονομισμάτων. Η έκτη και τελευταία συνεισφορά παρέχει μια συγκριτική ανάλυση απόδοσης κατανεμημένων συστημάτων βάσεων δεδομένων στη μνήμη, του Apache Ignite και του Redis, σε περιβάλλοντα fog computing. Με τη δοκιμή αυτών των συστημάτων υπό διάφορους φόρτους εργασίας και συνθήκες δικτύου, η διατριβή αξιολογεί τις ισορροπίες απόδοσης μεταξύ προηγμένων χαρακτηριστικών όπως η συμμόρφωση με το ACID και της υψηλής ταχύτητας του Redis. Τα αποτελέσματα είναι ικανά να προσφέρουν πρακτικές συμβουλές και καθοδήγηση για την επιλογή συστημάτων βάσεων δεδομένων, οι οποίες ισορροπούν τις απαιτήσεις χαρακτηριστικών και την απόδοση σε δυναμικά, περιορισμένα από πόρους περιβάλλοντα fog computing. Αντιμετωπίζοντας αυτές τις έξι προκλήσεις μέσω στοχευμένων συνεισφορών, αυτή η διατριβή προάγει την εξέλιξη της γνώσης και της πρακτικής χρήσης στα αποκεντρωμένα συστήματα, αλλά και τα σχετικά ζητήματα που παρουσιάζονται σε κατανεμημένα συστήματα. Τα ευρήματα παρέχουν θεμελιώδεις γνώσεις για τη βελτίωση της ασφάλειας, της ιδιωτικότητας, της ευχρηστίας και της απόδοσης των εφαρμογών που βασίζονται στο blockchain, ανοίγοντας τον δρόμο για την ευρύτερη υιοθέτηση και πρακτική εφαρμογή τους σε διάφορα πλαίσια.