Αν και ο όρος "αποκέντρωση" χρησιμοποιείται ευρέως στην επιστήμη των υπολογιστών και στα κρυπτοοικονομικά\footnote{Τα "κρυπτοοικονομικά" είναι η πρακτική επιστήμη της δημιουργίας κατανεμημένων συστημάτων, οι ιδιότητες των οποίων εξασφαλίζονται με οικονομικά κίνητρα, ενώ οι οικονομικοί τους μηχανισμοί είναι κρυπτογραφικά εγγυημένοι.\cite{1.2-ethereum-learn}} (cryptoeconomics), συνήθως ορίζεται αρκετά ασαφώς\cite{1.2-the-meaning-of-decentralization}. Στην πραγματικότητα η αποκέντρωση (ή, αντίστοιχα, ο συγκεντρωτισμός) μπορεί να τοποθετηθεί πάνω σε τρεις ξεχωριστούς άξονες, οι οποίοι είναι σε γενικές γραμμές ανεξάρτητοι ο ένας από τον άλλον. Αυτοί έχουν ως εξής:
Αν και ο όρος "αποκέντρωση" χρησιμοποιείται ευρέως στην επιστήμη των υπολογιστών και στα κρυπτοοικονομικά\footnote{Τα "κρυπτοοικονομικά" είναι η πρακτική επιστήμη της δημιουργίας κατανεμημένων συστημάτων, οι ιδιότητες των οποίων εξασφαλίζονται με οικονομικά κίνητρα, ενώ οι οικονομικοί τους μηχανισμοί είναι κρυπτογραφικά εγγυημένοι.\cite{1.2-ethereum-learn}} (cryptoeconomics), συνήθως ορίζεται αρκετά ασαφώς\cite{1.2-the-meaning-of-decentralization}. Στην πραγματικότητα η αποκέντρωση (ή, αντίστοιχα, ο συγκεντρωτισμός) μπορεί να τοποθετηθεί πάνω σε τρεις ξεχωριστούς άξονες, οι οποίοι είναι σε γενικές γραμμές ανεξάρτητοι ο ένας από τον άλλον. Αυτοί έχουν ως εξής:
Οι \textbf{κρυπτογραφικές συναρτήσεις κατακερματισμού} (cryptographic hash functions) είναι ειδική κατηγορία συναρτήσεων κατακερματισμού σχεδιασμένες για χρήση στην κρυπτογραφία. Αποτελούν μαθηματικές συναρτήσεις που δέχονται ως είσοδο δεδομένα τυχαίου μεγέθους και επιστρέφουν συμβολοσειρές σταθερού μήκους.
Οι κρυπτογραφικές συναρτήσεις κατακερματισμού (cryptographic hash functions) είναι ειδική κατηγορία συναρτήσεων κατακερματισμού σχεδιασμένες για χρήση στην κρυπτογραφία. Αποτελούν μαθηματικές συναρτήσεις που δέχονται ως είσοδο δεδομένα τυχαίου μεγέθους και επιστρέφουν συμβολοσειρές σταθερού μήκους.
Οι τιμές που επιστρέφει η συνάρτηση κατακερματισμού ονομάζονται τιμές κατακερματισμού (hash values, digests ή απλά hashes). Μία ιδανική κρυπτογραφική συνάρτηση κατακερματισμού έχει τις εξής βασικές ιδιότητες:
Οι τιμές που επιστρέφει η συνάρτηση κατακερματισμού ονομάζονται τιμές κατακερματισμού (hash values, digests ή απλά hashes). Μία ιδανική κρυπτογραφική συνάρτηση κατακερματισμού έχει τις εξής βασικές ιδιότητες:
@ -13,4 +17,10 @@
\item Είναι αποδοτική, δηλαδή ο υπολογισμός του hash οποιασδήποτε εισόδου είναι γρήγορος.
\item Είναι αποδοτική, δηλαδή ο υπολογισμός του hash οποιασδήποτε εισόδου είναι γρήγορος.
Μία από τις δημοφιλέστερες οικογένειες κρυπτογραφικών αλγορίθμων κατακερματισμού είναι αυτή των Secure Hash Algorithms (SHA), η οποία περιλαμβάνει τους SHA-0, SHA-1, SHA-2 και SHA-3.
Η \textbf{ασύμμετρη κρυπτογραφία} (asymmetric cryptography) ή κρυπτογραφία δημόσιου κλειδιού (public-key cryptography) αποτελεί κρυπτογραφικό σύστημα που βασίζεται στη χρήση ενός ζεύγους κλειδιών (key pair), του \textit{δημόσιου} (public key) και του \textit{ιδιωτικού} (private key). Αυτά τα κλειδιά είναι μαθηματικά συνδεδεμένα ως εξής:
Η ασύμμετρη κρυπτογραφία (asymmetric cryptography) ή κρυπτογραφία δημόσιου κλειδιού (public-key cryptography) αποτελεί κρυπτογραφικό σύστημα που βασίζεται στη χρήση ενός ζεύγους κλειδιών (key pair), του \textit{δημόσιου} (public key) και του \textit{ιδιωτικού} (private key). Αυτά τα κλειδιά είναι μαθηματικά συνδεδεμένα ως εξής:
\begin{itemize}
\begin{itemize}
\item Το ιδιωτικό κλειδί δε μπορεί να προκύψει γνωρίζοντας το δημόσιό του
\item Το ιδιωτικό κλειδί δε μπορεί να προκύψει γνωρίζοντας το δημόσιό του
@ -34,3 +34,4 @@
\caption{Κρυπτογράφηση απ' άκρη σ' άκρη}
\caption{Κρυπτογράφηση απ' άκρη σ' άκρη}
\end{figure}
\end{figure}
Μία προσέγγιση στην κρυπτογραφία δημόσιου κλειδιού είναι η κρυπτογραφία ελλειπτικής καμπύλης (Elliptic-Curve Cryptography ή ECC). Η ECC βασίζεται στην αλγεβρική δομή των ελλειπτικών καμπυλών σε πεπερασμένα πεδία και υπερέχει της non-EC κρυπτογραφίας, καθώς επιτρέπει τη δημιουργία μικρότερων κλειδιών με ισοδύναμη ασφάλεια. Ένα από τα πρωτόκολλά της είναι ο Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA), ο οποίος χρησιμοποιείται για την ψηφιακή υπογραφή δεδομένων και αποτελεί το EC-ανάλογο του DSA (Digital Signature Algorithm).\cite{2.2-ecdsa}
Ένα δένδρο Merkle (Merkle tree ή hash tree) είναι μία δενδρική δομή δεδομένων, η οποία απαρτίζεται από φύλλα (leaf nodes), που περιέχουν hashes από blocks δεδομένων, και από άλλους κόμβους (non-leaf nodes), οι οποίοι περιέχουν τα hashes των θυγατρικών τους. Στην κορυφή του δένδρου βρίσκεται το λεγόμενο root hash\cite{2.3-merkle-tree}.
Ένα δένδρο Merkle (Merkle tree ή hash tree) είναι μία δενδρική δομή δεδομένων, η οποία απαρτίζεται από φύλλα (leaf nodes), που περιέχουν hashes από blocks δεδομένων, και από άλλους κόμβους (non-leaf nodes), οι οποίοι περιέχουν τα hashes των θυγατρικών τους. Στην κορυφή του δένδρου βρίσκεται ο ριζικός κόμβος με το λεγόμενο root hash.\cite{2.3-merkle-tree}
Η πιο συνηθισμένη υλοποίηση είναι το δυαδικό (binary) δένδρο Merkle, το οποίο περιλαμβάνει δύο θυγατρικούς κόμβους (child nodes) κάτω από κάθε γονικό non-leaf κόμβο, και είναι αυτό που αναλύεται στη συνέχεια.
Η πιο συνηθισμένη υλοποίηση είναι το δυαδικό (binary) δένδρο Merkle, το οποίο περιλαμβάνει δύο θυγατρικούς κόμβους (child nodes) κάτω από κάθε γονικό non-leaf κόμβο, και είναι αυτό που αναλύεται στη συνέχεια.
%TODO create and add image of a binary hash tree like: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Hash_Tree.svg
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[width=15cm]{merkle-tree.png}
\caption{Παράδειγμα δυαδικού δένδρου Merkle}
\end{figure}
Τα Merkle trees επιτρέπουν την αποδοτική και ασφαλή επαλήθευση των περιεχομένων που ανήκουν σε σετ δεδομένων μεγάλου μεγέθους. Η βασική ιδιότητα είναι ότι για κάθε σετ δεδομένων υπάρχει ακριβώς ένα πιθανό δένδρο, το οποίο δε γίνεται να τροποποιηθεί χωρίς να αλλάξει ταυτόχρονα και το root hash.
Τα Merkle trees επιτρέπουν την αποδοτική και ασφαλή επαλήθευση των περιεχομένων που ανήκουν σε σετ δεδομένων μεγάλου μεγέθους. Η βασική ιδιότητα είναι ότι για κάθε σετ δεδομένων υπάρχει ακριβώς ένα πιθανό δένδρο, το οποίο δε γίνεται να τροποποιηθεί χωρίς να αλλάξει ταυτόχρονα και το root hash.
@ -12,5 +16,5 @@
\begin{itemize}
\begin{itemize}
\item Να αποφανθούμε εάν κάποια δεδομένα ανήκουν στο δένδρο (με τον αριθμό των hashes που θα πρέπει να υπολογιστούν να είναι ανάλογος του λογαρίθμου του αριθμού των leaf nodes).
\item Να αποφανθούμε εάν κάποια δεδομένα ανήκουν στο δένδρο (με τον αριθμό των hashes που θα πρέπει να υπολογιστούν να είναι ανάλογος του λογαρίθμου του αριθμού των leaf nodes).
\item Να αποδείξουμε συνοπτικά την εγκυρότητα ενός τμήματος κάποιου σετ δεδομένων, χωρίς να χρειαστεί να αποθηκεύσουμε ολόκληρο το σύνολο δεδομένων.
\item Να αποδείξουμε συνοπτικά την εγκυρότητα ενός τμήματος κάποιου σετ δεδομένων, χωρίς να χρειαστεί να αποθηκεύσουμε ολόκληρο το σύνολο δεδομένων.
\item Να διασφαλίσουμε την εγκυρότητα ενός συγκεκριμένου συνόλου δεδομένων εντός ενός μεγαλύτερου σύνολου, χωρίς να χρειαστεί να αποκαλυφθεί το περιεχόμενο οποιουδήποτε εκ των δύο\cite{2.3-merkle-proofs-explained}.
\item Να διασφαλίσουμε την εγκυρότητα ενός συγκεκριμένου συνόλου δεδομένων εντός ενός μεγαλύτερου σύνολου, χωρίς να χρειαστεί να αποκαλυφθεί το περιεχόμενο οποιουδήποτε εκ των δύο.\cite{2.3-merkle-proofs-explained}
Τα δίκτυα ομότιμων κόμβων ή Peer-to-Peer (P2P) networks αποτελούν μία κατανεμημένη αρχιτεκτονική δικτύων, οι συμμετέχοντες (κόμβοι) της οποίας μοιράζονται ένα τμήμα των πόρων τους, με στόχο την παροχή κάποιας υπηρεσίας (π.χ. τον διαμοιρασμό περιεχομένου). Εν αντιθέσει με συγκεντρωτικά δίκτυα τύπου client/server, οι κόμβοι (nodes) έχουν απευθείας πρόσβαση στους πόρους, χωρίς τη διαμεσολάβηση ενδιάμεσων οντοτήτων. Οι συμμετέχοντες ενός τέτοιου δικτύου είναι, δηλαδή, ταυτόχρονα, τόσο πάροχοι, όσο και αιτούντες των πόρων και της παρεχόμενης υπηρεσίας.\cite{2.4-p2p-networking}
Τα δίκτυα ομότιμων κόμβων ή Peer-to-Peer (P2P) networks αποτελούν μία κατανεμημένη αρχιτεκτονική δικτύων, οι συμμετέχοντες (κόμβοι) της οποίας μοιράζονται ένα τμήμα των πόρων τους, με στόχο την παροχή κάποιας υπηρεσίας (π.χ. τον διαμοιρασμό περιεχομένου). Εν αντιθέσει με συγκεντρωτικά δίκτυα τύπου client/server, οι κόμβοι (nodes) έχουν απευθείας πρόσβαση στους πόρους, χωρίς τη διαμεσολάβηση ενδιάμεσων οντοτήτων. Οι συμμετέχοντες ενός τέτοιου δικτύου είναι, δηλαδή, ταυτόχρονα, τόσο πάροχοι, όσο και αιτούντες των πόρων και της παρεχόμενης υπηρεσίας.\cite{2.4-p2p-networking}
Το blockchain αποτελεί μία διανεμημένη δημόσια σειρά δεδομένων, που διατηρεί έναν αμετάβλητο ως προς το ιστορικό του κατάλογο (immutable ledger) ψηφιακών συναλλαγών (digital transactions) ενός αγαθού (asset), π.χ. ενός νομίσματος (token). Περιγράφηκε για πρώτη φορά το 2008 από ένα άτομο (ή μία ομάδα ανθρώπων) γνωστό ως Satoshi Nakamoto, αποτελώντας τη βάση του κρυπτονομίσματος (cryptocurrency) Bitcoin.\cite{2.5-bitcoin}
Το blockchain αποτελεί μία διανεμημένη δημόσια σειρά δεδομένων, που διατηρεί έναν αμετάβλητο ως προς το ιστορικό του κατάλογο (immutable ledger) ψηφιακών συναλλαγών (digital transactions) ενός αγαθού (asset), π.χ. ενός νομίσματος (token). Περιγράφηκε για πρώτη φορά το 2008 από ένα άτομο (ή μία ομάδα ανθρώπων) γνωστό ως Satoshi Nakamoto, αποτελώντας τη βάση του κρυπτονομίσματος (cryptocurrency) Bitcoin.\cite{2.5-bitcoin}
@ -13,3 +13,5 @@
Από τεχνική σκοπιά, το blockchain μπορεί να θεωρηθεί ως μία μηχανή καταστάσεων βασισμένη σε συναλλαγές (transaction-based state machine). Δηλαδή, ξεκινάει από μία αρχική κατάσταση (genesis state), η οποία τροποποιείται σταδιακά με κάθε block, και περιλαμβάνει ανά πάσα στιγμή τις διευθύνσεις με τα ποσά των νομισμάτων που τις αντιστοιχούν.
Από τεχνική σκοπιά, το blockchain μπορεί να θεωρηθεί ως μία μηχανή καταστάσεων βασισμένη σε συναλλαγές (transaction-based state machine). Δηλαδή, ξεκινάει από μία αρχική κατάσταση (genesis state), η οποία τροποποιείται σταδιακά με κάθε block, και περιλαμβάνει ανά πάσα στιγμή τις διευθύνσεις με τα ποσά των νομισμάτων που τις αντιστοιχούν.
%TODO: add image like ethereum-evm-illustrated page 9 or https://ethereum.org/static/0aeff9bcdfb1f5fd002610b4a5cff197/460fa/ethereum-state-transition.png
%TODO: add image like ethereum-evm-illustrated page 9 or https://ethereum.org/static/0aeff9bcdfb1f5fd002610b4a5cff197/460fa/ethereum-state-transition.png
Σύμφωνα με την ανάλυση της ενότητας \ref{section:1-2-decentralization}, το blockchain είναι αρχιτεκτονικά και πολιτικά αποκεντρωτικό, καθώς δεν διαθέτει δοκιμκά κάποιο κεντρικό σημείο αποτυχίας, ούτε ελέγχεται από κάποιον. Ωστόσο, είναι λογικά συγκεντρωτικό, αφού υπάρχει μία κοινά αποδεκτή κατάσταση και το σύστημα συμπεριφέρεται μακροσκοπικά ως ένας ενιαίος υπολογιστής.
Το Ethereum είναι ένα δημόσιο blockchain ανοιχτού κώδικα με εγγενές κρυπτονόμισμα το Ether (ETH). Παρέχει μία προγραμματιστική πλατφόρμα με ενσωματωμένη μία Turing-complete γλώσσα προγραμματισμού, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία αποκεντρωμένων εφαρμογών (Decentralized Applications ή DApps) μέσω της χρήσης "έξυπνων συμβολαίων" (smart contracts).\cite{2.6-ethereum-whitepaper}
Το Ethereum είναι ένα δημόσιο blockchain ανοιχτού κώδικα με εγγενές κρυπτονόμισμα το Ether (ETH). Παρέχει μία προγραμματιστική πλατφόρμα με ενσωματωμένη μία Turing-complete γλώσσα προγραμματισμού, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία αποκεντρωμένων εφαρμογών (Decentralized Applications ή DApps) μέσω της χρήσης "έξυπνων συμβολαίων" (smart contracts).\cite{2.6-ethereum-whitepaper}
Με απλά λόγια, τα smart contracts αποτελούν αυτόνομα κομμάτια κώδικα τα οποία είναι αποθηκευμένα στο blockchain και ενεργοποιούνται μέσω συναλλαγών. Μπορούν να διαβάζουν και να γράφουν δεδομένα επί του blockchain, κληρονομώντας ιδιότητες όπως τη διαφάνεια (transparency), την εγκυρότητα (validability) και την αμεταβλητότητα (immutability).
Στο Ethereum blockchain οι λογαριασμοί αποτελούν οντότητες οι οποίες μπορούν να δέχονται, να κρατούν και να στέλνουν ETH και tokens, καθώς και να αλληλεπιδρούν με smart contracts.\cite{2.6-ethereum-documentation} Χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: στους λογαριασμούς εξωτερικής κατοχής (externally owned accounts ή EOAs) και στους λογαριασμούς συμβολαίων (contract accounts).
Ένα παράδειγμα της καθημερινότητας που μπορεί να παρομοιασθεί λειτουργικά με smart contract είναι ο αυτόματος πωλητής\cite{2.6-ethereum-smart-contracts}. Ένας αυτόματος πωλητής ορίζεται ως ένα αυτόνομο μηχάνημα που διανέμει αγαθά ή παρέχει υπηρεσίες όταν εισάγονται σε αυτόν κέρματα ή κάποια ηλεκτρονική πληρωμή. Οι αυτόματοι πωλητές είναι προγραμματισμένοι να εκτελούν συγκεκριμένους κανόνες που θα μπορούσαν να οριστούν σε ένα συμβόλαιο.
Οι λογαριασμοί εξωτερικής κατοχής δημιουργούνται χωρίς κόστος και ελέγχονται μέσω ιδιωτικών κλειδιών. Μπορούν να πραγματοποιούν μόνο συναλλαγές μεταφοράς ETH ή κάποιου token.
Με όμοιο τρόπο, σε ένα smart contract μπορούν να κωδικοποιηθούν αυθαίρετες συναρτήσεις μετάβασης, επιτρέποντας τη δημιουργία ποικίλων αποκεντρωμένων εφαρμογών. Οι εφαρμογές αυτές μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες:
Από την άλλη, οι λογαριασμοί συμβολαίων απαιτούν κάποιο κόστος δημιουργίας, καθώς χρησιμοποιούν αποθηκευτικό χώρο επί του blockchain, ενώ ελέγχονται αποκλειστικά από τον κώδικά τους. Οι συναλλαγές που πραγματοποιούν προς άλλους λογαριασμούς είναι μόνο σαν αντίδραση σε μία εισερχόμενη συναλλαγή, όπως ορίζει ο κώδικας του smart contract τους.
Πιο αναλυτικά, τα πεδία που διαθέτουν οι λογαριασμοί στο Ethereum είναι τα εξής:
\begin{itemize}
\item Το \textbf{nonce}: ένας μετρητής που υποδεικνύει τον αριθμό των απεσταλμένων συναλλαγών του λογαριασμού. Αυτό διασφαλίζει ότι οι συναλλαγές διεκπεραιώνονται μόνο μία φορά. Σε έναν λογαριασμό συμβολαίου, αυτός ο αριθμός αντιπροσωπεύει τον αριθμό των συμβολαίων που δημιουργήθηκαν από εκείνον.
\item Το \textbf{balance}: το ποσό σε ETH που διαθέτει ο λογαριασμός, μετρημένο σε wei (1 ETH = $10^{18}$ wei).
\item Το \textbf{codeHash}: ένα hash που αναφέρεται στον κώδικα του λογαριασμού (contract code). Είναι χαρακτηριστικό των λογαριασμών συμβολαίων (στους λογαριασμούς εξωτερικής κατοχής είναι hash μίας κενής συμβολοσειράς) και, σε αντίθεση με τα άλλα πεδία, αφότου οριστεί παραμένει αμετάβλητο.
\item Το \textbf{storageRoot}: το root hash του δένδρου Merkle των αποθηκευμένων δεδομένων του smart contract, εφόσον πρόκειται για έναν λογαριασμό συμβολαίου (δε χρησιμοποιείται σε λογαριασμούς εξωτερικής κατοχής).
\end{itemize}
Η δημιουργία των λογαριασμών επιτυγχάνεται μέσω της παραγωγής ενός ζεύγους κλειδιών, αξιοποιώντας τον
ECDSA (βλ. ενότητα \ref{section:2-2-asymmetric-cryptography}). Έτσι, το ιδιωτικό κλειδί χρησιμοποιείται για να υπογράφονται ψηφιακά οι συναλλαγές, ενώ το δημόσιο ορίζει τη δημόσια διεύθυνση του λογαριασμού (είναι της μορφής "0x + τα 20 τελευταία bytes του Keccak-256\footnote{Ο Keccak-256 αποτελεί τον κρυπτογραφικό αλγόριθμο κατακερματισμού που χρησιμοποειίται στο Ethereum. Πρόκειται για τον αλγόριθμο SHA3-256 πριν την τυποποίησή του από το NIST.} hash του δημόσιου κλειδιού").
Κατά κύριο λόγο, οι χρήστες παράγουν και διαχειρίζονται τα ιδιωτικά κλειδιά των λογαριασμών εξωτερικής κατοχής μέσω ενός πορτοφολιού (wallet). Τα wallets αποτελούν εφαρμογές, οι οποίες δείχνουν το balance του λογαριασμού και παρέχουν τη δυνατότητα αποστολής/ λήψης ETH και tokens από/ σε αυτόν. Ορισμένα προτοφόλια προσφέρουν περαιτέρω λειτουργίες, σημαντικότερη εκ των οποίων είναι η διασύνδεση του λογαριασμού με αποκεντρωμένες εφαρμογές. Επί του παρόντος, το πιο διαδεδομένο πορτοφόλι τέτοιου τύπου είναι το MetaMask\footnote{Επίσημος ιστότοπος: \url{https://metamask.io/}}.
\subsection{Smart Contracts}
Με λίγα λόγια, τα smart contracts αποτελούν αυτόνομα κομμάτια κώδικα, τα οποία είναι αποθηκευμένα στο blockchain και ενεργοποιούνται μέσω συναλλαγών. Κληρονομούν ιδιότητες του blockchain, όπως τη διαφάνεια (transparency), την επαληθευσιμότητα (verifiability) και την αμεταβλητότητα (immutability).
Ένα παράδειγμα της καθημερινότητας που μπορεί να παρομοιασθεί λειτουργικά με smart contract είναι ο αυτόματος πωλητής.\cite{2.6-ethereum-smart-contracts} Ένας αυτόματος πωλητής ορίζεται ως ένα αυτόνομο μηχάνημα που διανέμει αγαθά ή παρέχει υπηρεσίες, όταν εισαχθεί σε αυτόν κάποιο χρηματικό ποσό και επιλεχθεί ένα διαθέσιμο προϊόν. Οι αυτόματοι πωλητές είναι προγραμματισμένοι να εκτελούν συγκεκριμένους κανόνες που θα μπορούσαν να οριστούν σε ένα συμβόλαιο. Με όμοιο τρόπο, σε ένα smart contract μπορούν να κωδικοποιηθούν αυθαίρετες συναρτήσεις μετάβασης, επιτρέποντας τη δημιουργία μίας πληθώρας αποκεντρωμένων εφαρμογών.
Όπως προαναφέρθηκε στην υποενότητα \ref{subsection:2-6-1-ethereum-accounts}, τα smart contracts εντάσσονται σε contract accounts και απαιτούν την καταβολή τελών για τη δημιουργία τους, αφού χρειάζεται να εγγράψουν επί του blockchain τον κώδικα και τα αρχικά δεδομένα τους.
Επιπλέον, ο κώδικάς τους ενεργοποιείται μονάχα όταν δεχθούν μία έγκυρη συναλλαγή από κάποιον άλλον λογαριασμό (είτε εξωτερικής κατοχής, είτε συμβολαίου). Η συναλλαγή αυτή εμπεριέχει, πέρα από το απαιτούμενο fee, ένα συνοδευτικό μήνυμα με πληροφορίες σχετικές με τη συνάρτηση που πρέπει να εκτελεστεί. Η δε συνάρτηση μπορεί να πραγματοποιεί ποικίλες διαφορετικές ενέργειες, όπως την ανάγνωση και την εγγραφή στην εσωτερική αποθήκευση, την πραγματοποίηση νέων συναλλαγών, ή, ακόμα, τη δημιουργία νέων συμβολαίων.
Η σύνταξη των smart contracts γίνεται κατά βάση σε γλώσσες υψηλού επιπέδου και, συγκεκριμένα, στις Solidity και Vyper. Πριν την εγγραφή τους στο blockchain, μεταγλωττίζονται σε εμηνεύσιμο από την EVM bytecode, η οποία είναι υπεύθυνη για την αποθήκευση και την εκτέλεσή του (βλ. υποενότητα \ref{subsection:2-6-5-evm}).
\subsection{DApps}
Οι DApps στο οικοσύστημα του Ethereum είναι εφαρμογές οι οποίες συνδυάζουν smart contracts και frontend UIs. Είναι ντετερμινιστικές, Turing-complete και εκτελούνται απομονωμένα στην EVM.\cite{2.6-ethereum-documentation}
Πέρα από τα θετικά χαρακτηριστικά των DApps που αναλύθηκαν στην ενότητα \ref{section:1-2-decentralization} (ανοχή σε σφάλματα, αντοχή σε επιθέσεις, απουσία ανάγκης εκχώρησης εμπιστοσύνης, αντίσταση σε συμπαιγνίες), τα Ethereum DApps διαθέτουν επιπλέον όλα τα πλεονεκτήματα των blockchain και των smart contract, όπως μηδενικό downtime, πλήρη ακεραιότητα δεδομένων και επαληθεύσιμη συμπεριφορά.
Ωστόσο, χαρακτηρίζονται και από μία σειρά αξιοσημείωτων μειονεκτημάτων, όπως τα παρακάτω:
\begin{itemize}
\begin{itemize}
\item Οικονομικές εφαρμογές, οι οποίες παρέχουν στους χρήστες ισχυρότερους τρόπους διαχείρισης και σύναψης συμβάσεων χρησιμοποιώντας τα χρήματά τους. Αυτό περιλαμβάνει υπο-νομίσματα, χρηματοοικονομικά παράγωγα, συμβάσεις αντιστάθμισης κινδύνου, πορτοφόλια αποταμίευσης, διαθήκες, και, τελικά, ακόμη και ορισμένες κατηγορίες συμβάσεων εργασίας πλήρους κλίμακας.
\item Δυσκολία συντήρησης: Συντηρούνται δυσκολότερα από τις συγκεντρωτικές εφαρμογές, εξαιτίας της αμεταβλητότητας του κώδικα και των δεδομένων επί του blockchain.
\item Επιβάρυνση απόδοσης: Υπάρχει τεράστια επιβάρυνση απόδοσης (performance overhead) και η κλιμάκωση (scaling) είναι πολύ δύσκολη, καθώς απαιτείται όλοι οι κόμβοι να εκτελούν και να αποθηκεύουν όλες τις συναλλαγές.
\item Συμφόρηση δικτύου: Επί του παρόντος, το δίκτυο μπορεί να επεξεργαστεί μόνο περίπου 10-15 συναλλαγές ανά δευτερόλεπτο. Εάν οι συναλλαγές αποστέλλονται με ταχύτερο ρυθμό από αυτόν, θα αυξάνονται παράλληλα και οι μη επιβεβαιωμένες συναλλαγές που αναμένουν να εκτελεστούν.
\item Κακή εμπειρία χρήστη: Επί του παρόντος, είναι δύσκολο για τον μέσο τελικό χρήστη να αλληλεπιδράσει με το blockchain με ευκολία και ασφάλεια, καθώς απαιτούνται ενέργειες όπως η εγκατάσταση ειδικών εργαλείων για τη διασύνδεση με αυτό, η δημιουργία wallet, η διαφύλαξη του ιδιωτικού του κλειδιού και η προσθήκη ETH για την εξόφληση των τελών.
\end{itemize}
Παρ' όλα τα μειονεκτήματα, τα οποία μετριάζονται με τον καιρό μέσω συνεχών αναβαθμίσεων της πλατφόρμας, υπάρχει ήδη ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών που μπορούν να υλοποιηθούν στο Ethereum, αξιοποιώντας τα ισχυρά του πλεονεκτήματα. Οι εφαρμογές αυτές μπορούν να διακριθούν σε τρεις κατηγορίες:
\begin{enumerate}
\item Οικονομικές εφαρμογές, οι οποίες παρέχουν στους χρήστες ισχυρούς τρόπους διαχείρισης και σύναψης συμβάσεων χρησιμοποιώντας τα χρήματά τους. Αυτό περιλαμβάνει υπονομίσματα, χρηματοοικονομικά παράγωγα, συμβάσεις αντιστάθμισης κινδύνου, πορτοφόλια αποταμίευσης, διαθήκες και ακόμα και ορισμένες κατηγορίες συμβάσεων εργασίας πλήρους κλίμακας.
\item Ημι-οικονομικές εφαρμογές, όπου εμπλέκονται χρήματα, αλλά η λειτουργία τους εμπεριέχει παράλληλα και μία αξιοσημείωτη μη νομισματική πλευρά. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι οι αυτόματες πληρωμές για λύσεις σε υπολογιστικά προβλήματα (βλ. Gitcoin).
\item Ημι-οικονομικές εφαρμογές, όπου εμπλέκονται χρήματα, αλλά η λειτουργία τους εμπεριέχει παράλληλα και μία αξιοσημείωτη μη νομισματική πλευρά. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι οι αυτόματες πληρωμές για λύσεις σε υπολογιστικά προβλήματα (βλ. Gitcoin).
\item Μη οικονομικές εφαρμογές, όπως η αποκεντρωμένη αποθήκευση δεδομένων, συστήματα ταυτότητας (identity) και φήμης (reputation), διαδικτυακές ψηφοφορίες και αποκεντρωμένη διακυβέρνηση. Οι τελευταίες εισάγουν και την έννοια των Αποκεντρωμένων Αυτόνομων Οργανώσεων (Decentralized Autonomous Organizations ή DAOs), οντοτήτων που ενεργούν αυτόνομα, χωρίς την ανάγκη διαμεσολάβησης κάποιας συγκεντρωτικής (\textenglish{centralized}) αρχής.\cite{2.6-ethereum-whitepaper}
\item Μη οικονομικές εφαρμογές, όπως η αποκεντρωμένη αποθήκευση δεδομένων, συστήματα ταυτότητας (identity) και φήμης (reputation), διαδικτυακές ψηφοφορίες και αποκεντρωμένη διακυβέρνηση. Οι τελευταίες εισάγουν και την έννοια των Αποκεντρωμένων Αυτόνομων Οργανώσεων (Decentralized Autonomous Organizations ή DAOs), οντοτήτων που ενεργούν αυτόνομα, χωρίς την ανάγκη διαμεσολάβησης κάποιας συγκεντρωτικής (\textenglish{centralized}) αρχής.\cite{2.6-ethereum-whitepaper}
\end{enumerate}
\subsection{Tokens}
Η λέξη "token" προέρχεται από τη λέξη "tācen" των Παλαιών Αγγλικών και σημαίνει σημάδι ή
σύμβολο. Στην καθημερινότητα, ο όρος χρησιμοποιείται, κατά κύριο λόγο, για την περιγραφή αντικειμένων ειδικού σκοπού, τα οποία μοιάζουν με κέρματα και έχουν ασήμαντη εγγενή αξία (π.χ. μάρκες παιχνιδιών). Συνήθως, η χρήση των tokens περιορίζεται σε συγκεκριμένες επιχειρήσεις, οργανισμούς ή τοποθεσίες, πράγμα το οποίο σημαίνει ότι δεν ανταλλάσσονται εύκολα και τυπικά έχουν μόνο μία λειτουργία.\cite{2.6-ethereum-mastering}
Ωστόσο, στο Ethereum blockchain η έννοια των tokens επεκτείνεται και επαναπροσδιορίζεται. Πλέον δεν υπάρχουν περιορισμοί χρήσης και ιδιοκτησίας, ενώ η αξία τους ποικίλει, ανάλογα με το τι αντιπροσωπεύουν (π.χ. νομίσματα, περιουσιακά στοιχεία, ή δικαιώματα πρόσβασης). Μπορούν, δε, να ανταλλαχθούν σε παγκόσμιο επίπεδο, για άλλα tokens ή για άλλα νομίσματα.
Τα tokens που ορίζονται σε Ethereum smart contracts μπορούν να έχουν μία ή περισσότερες από τις παρακάτω χρήσεις:
\begin{itemize}
\item Νόμισμα (currency)
\item Πόρος (resource), π.χ. για το διαμοιρασμό CPU ή storage εντός ενός δικτύου
\item Περιουσιακό στοιχείο (asset), εγγενούς ή εξωγενούς, υλικού
ή άυλου (π.χ. χρυσός, πετρέλαιο, ενέργεια, ακίνητο)
\item Πρόσβαση (access), ψηφιακή ή
φυσική (π.χ. forum, δωμάτιο ξενοδοχείου)
\item Μετοχικό κεφάλαιο (equity) ενός ψηφιακού οργανισμού (π.χ. μίας DAO) ή μίας νομικής οντότητας (π.χ. μίας εταιρείας)
\item Ψηφοφορία (voting), παρέχοντας δικαιώματα ψήφου σε ένα ψηφιακό ή νομικό σύστημα
\item Συλλεκτικό (collectible), ψηφιακό ή φυσικό
\item Ταυτότητα (identity), ψηφιακής ή νομικής φύσεως
\item Πιστοποίηση (attestation), π.χ. πτυχίο, πιστοποιητικό γέννησης
\item Χρησιμότητα (utility), για πρόσβαση ή πληρωμή μίας υπηρεσίας
\end{itemize}
\end{itemize}
\subsection{EVM}
Ένα σημαντικό κριτήριο κατηγοριοποίησης των tokens είναι η εναλλαξιμότητα (fungibility) τους. Ένα token είναι εναλλάξιμο όταν οποιαδήποτε μονάδα του μπορεί να αντικατασταθεί με μία άλλη χωρίς καμία διαφορά στην αξία ή τη λειτουργία του. Από την άλλη πλευρά, ένα non-fungible token (NFT) αντιπροσωπεύει ένα μοναδικό υλικό ή άυλο στοιχείο και, επομένως, είναι μη εναλλάξιμο.
Τα smart contracts εκτελούνται από την εικονική μηχανή του Ethereum (Ethereum Virtual Machine ή EVM). Η EVM αποτελεί μία quasi\footnote{"quasi" επειδή όλες οι διαδικασίες εκτέλεσης περιορίζονται σε έναν πεπερασμένο αριθμό υπολογιστικών βημάτων από την ποσότητα gas που είναι διαθέσιμη για οποιαδήποτε εκτέλεση ενός smart contract.}–Turing-complete μηχανή καταστάσεων αρχιτεκτονικής βασισμένης σε στοίβα (stack-based architecture). Σε υψηλό επίπεδο, η EVM μπορεί να θεωρηθεί ως ένας παγκόσμιος αποκεντρωμένος υπολογιστής που περιέχει εκατομμύρια εκτελέσιμα αντικείμενα, το καθένα με τη δική του μόνιμη αποθήκη δεδομένων.
Τέλος, τα tokens συχνά ακολουθούν κάποια καθορισμένα standards στην υλοποίησή τους. Τα δημοφιλέστερα από αυτά είναι τα ERC-20 και ERC-777 (για fungible tokens), το ERC-721 (για NFTs) και το ERC-1155 (για semi-fungible tokens ή SFTs).
\subsection{EVM}\label{subsection:2-6-5-evm}
Τα smart contracts (και, κατ' επέκταση, οι DApps) εκτελούνται από την εικονική μηχανή του Ethereum (Ethereum Virtual Machine ή EVM). Η EVM αποτελεί μία quasi\footnote{"Quasi" ("σχεδόν") επειδή όλες οι διαδικασίες εκτέλεσης περιορίζονται σε έναν πεπερασμένο αριθμό υπολογιστικών βημάτων από την ποσότητα gas που είναι διαθέσιμη για οποιαδήποτε εκτέλεση ενός smart contract.}–Turing-complete μηχανή καταστάσεων αρχιτεκτονικής βασισμένης σε στοίβα (stack-based architecture). Σε υψηλό επίπεδο, η EVM μπορεί να θεωρηθεί ως ένας παγκόσμιος αποκεντρωμένος υπολογιστής που περιέχει εκατομμύρια εκτελέσιμα αντικείμενα, το καθένα με τη δική του μόνιμη αποθήκη δεδομένων.
Η EVM αποθηκεύει όλες τις τιμές της μνήμης σε μια στοίβα και λειτουργεί με μέγεθος λέξης 256 bit, κυρίως για τη διευκόλυνση των εγγενών λειτουργιών κατακερματισμού και ελλειπτικής καμπύλης. Διαθέτει ένα σύνολο διευθυνσιοδοτήσιμων στοιχείων δεδομένων:
Η EVM αποθηκεύει όλες τις τιμές της μνήμης σε μια στοίβα και λειτουργεί με μέγεθος λέξης 256 bit, κυρίως για τη διευκόλυνση των εγγενών λειτουργιών κατακερματισμού και ελλειπτικής καμπύλης. Διαθέτει ένα σύνολο διευθυνσιοδοτήσιμων στοιχείων δεδομένων:
@ -33,6 +104,4 @@
\item Ένας χώρος μόνιμης αποθήκευσης, που είναι μέρος του Ethereum state, επίσης αρχικά μηδενισμένος.
\item Ένας χώρος μόνιμης αποθήκευσης, που είναι μέρος του Ethereum state, επίσης αρχικά μηδενισμένος.
\end{itemize}
\end{itemize}
Υπάρχει, επίσης, ένα σύνολο μεταβλητών περιβάλλοντος και δεδομένων, που είναι διαθέσιμα κατά την εκτέλεση.\cite{2.6-ethereum-mastering}
Υπάρχει, επίσης, ένα σύνολο μεταβλητών περιβάλλοντος και δεδομένων, τα οποία είναι διαθέσιμα κατά την εκτέλεση.\cite{2.6-ethereum-mastering}
\item\textbf{Μοναδική ταυτοποίηση μέσω διευθυνσιοδότησης περιεχομένου (content addressing)}. Το περιεχόμενο δεν προσδιορίζεται από την τοποθεσία του (π.χ. https://...), αλλά από το τι περιλαμβάνει. Κάθε κομμάτι περιεχομένου έχει ένα μοναδικό αναγνωριστικό (Content ID ή CID), το οποίο είναι το hash του σε μορφή multihash (\url{https://multiformats.io/multihash/}).
\item\textbf{Μοναδική ταυτοποίηση μέσω διευθυνσιοδότησης περιεχομένου (content addressing)}. Το περιεχόμενο δεν προσδιορίζεται από την τοποθεσία του (π.χ. https://...), αλλά από το τι περιλαμβάνει. Κάθε κομμάτι περιεχομένου έχει ένα μοναδικό αναγνωριστικό (Content ID ή CID), το οποίο είναι το hash του σε μορφή multihash (\url{https://multiformats.io/multihash/}).
\item\textbf{Σύνδεση περιεχομένου μέσω κατευθυνόμενων άκυκλων γράφων (Directed Acyclic Graphs ή DAGs)}. Το IPFS αξιοποιεί DAGs (και συγκεκριμένα Merkle DAGs), μίας δομής δεδομένων της οποίας κάθε κόμβος έχει ως μοναδικό αναγνωριστικό το hash του περιεχομένου του (το CID).
\item\textbf{Σύνδεση περιεχομένου μέσω κατευθυνόμενων άκυκλων γράφων (Directed Acyclic Graphs ή DAGs)}. Το IPFS αξιοποιεί DAGs (και συγκεκριμένα Merkle DAGs), μίας δομής δεδομένων της οποίας κάθε κόμβος έχει ως μοναδικό αναγνωριστικό το hash του περιεχομένου του (το CID).
Στο παραπάνω Merkle DAG τα baf...i αποτελούν τα CID των αρχείων και των φακέλων. Το δένδρο δημιουργείται από κάτω προς τα πάνω, υπολογίζοντας κάθε φορά τα κατάλληλα hashes/CIDs. Σε περίπτωση που το περιεχόμενο ενός κόμβου αλλάξει, τότε αλλάζει τόσο το CID του, όσο και τα CIDs όλων των προγόνων του.
Στο παραπάνω Merkle DAG τα baf...i αποτελούν τα CID των αρχείων και των φακέλων. Το δένδρο δημιουργείται από κάτω προς τα πάνω, υπολογίζοντας κάθε φορά τα κατάλληλα hashes/CIDs. Σε περίπτωση που το περιεχόμενο ενός κόμβου αλλάξει, τότε αλλάζει τόσο το CID του, όσο και τα CIDs όλων των προγόνων του.
\item\textbf{Ανακάλυψη περιεχομένου μέσω κατανεμημένων πινάκων κατακερματισμού (\textenglish{Distributed Hash Tables ή DHTs})}. Ο DHT είναι ένα κατανεμημένο σύστημα για την αντιστοίχιση κλειδιών σε τιμές. Στο IPFS αποτελεί το θεμελιώδες συστατικό του συστήματος δρομολόγησης περιεχομένου και λειτουργεί ως διασταύρωση μεταξύ καταλόγου και συστήματος πλοήγησης. Πρακτικά πρόκειται για ένα πίνακα που αποθηκεύει ποιος έχει ποια δεδομένα και, μέσω του οποίου, ο χρήστης βρίσκει τον peer που έχει αποθηκευμένο το επιθυμητό περιεχόμενο.
\item\textbf{Ανακάλυψη περιεχομένου μέσω κατανεμημένων πινάκων κατακερματισμού (\textenglish{Distributed Hash Tables ή DHTs})}. Ο DHT είναι ένα κατανεμημένο σύστημα για την αντιστοίχιση κλειδιών σε τιμές. Στο IPFS αποτελεί το θεμελιώδες συστατικό του συστήματος δρομολόγησης περιεχομένου και λειτουργεί ως διασταύρωση μεταξύ καταλόγου και συστήματος πλοήγησης. Πρακτικά πρόκειται για ένα πίνακα που αποθηκεύει ποιος έχει ποια δεδομένα και, μέσω του οποίου, ο χρήστης βρίσκει τον peer που έχει αποθηκευμένο το επιθυμητό περιεχόμενο.
Όλα τα stores υλοποιούνται πάνω στο \texttt{ipfs-log}, μία αμετάβλητη, operation-based CRDT για κατανεμημένα συστήματα, ενώ υπάρχει και η δυνατότητα δημιουργίας προσαρμοσμένων stores ανάλογα με την περίπτωση.
Όλα τα stores υλοποιούνται πάνω στο \texttt{ipfs-log}, μία αμετάβλητη, operation-based CRDT για κατανεμημένα συστήματα, ενώ υπάρχει και η δυνατότητα δημιουργίας προσαρμοσμένων stores ανάλογα με την περίπτωση.
\item\textbf{Address}: Κάθε βάση δεδομένων λαμβάνει κατά τη δημιουργία της μία διεύθυνση της μορφής:\texttt{\\/orbitdb/CID/DATABASE\_NAME}, όπου CID είναι το IPFS multihash του μανιφέστου της και DATABASE\_NAME το όνομα της βάσης\cite{2.8-orbitdb-guide}. Το μανιφέστο είναι ένα IPFS object που περιέχει πληροφορίες της βάσης όπως το όνομα, τον τύπο και έναν δείκτη στον ελεγκτή πρόσβασης (access controller).
\item\textbf{Address}: Κάθε βάση δεδομένων λαμβάνει κατά τη δημιουργία της μία διεύθυνση της μορφής \texttt{/orbitdb/CID/DATABASE\_NAME}, όπου \texttt{CID} είναι το IPFS multihash του μανιφέστου της και \texttt{DATABASE\_NAME} το όνομα της βάσης.\cite{2.8-orbitdb-guide} Το μανιφέστο είναι ένα IPFS object που περιέχει πληροφορίες της βάσης όπως το όνομα, τον τύπο και έναν δείκτη στον ελεγκτή πρόσβασης (access controller).
\item\textbf{Identity}: Κάθε φορά που προστίθεται μία εγγραφή στη βάση υπογράφεται από τον δημιουργό της, ο οποίος προσδιορίζεται από μία ταυτότητα (identity). Το Identity object, πέρα από τον προεπιλεγμένο τρόπο λειτουργίας, μπορεί να προσαρμοστεί έτσι ώστε να συνδέεται με κάποιο εξωτερικό αναγνωριστικό.
\item\textbf{Identity}: Κάθε φορά που προστίθεται μία εγγραφή στη βάση υπογράφεται από τον δημιουργό της, ο οποίος προσδιορίζεται από μία ταυτότητα (identity). Το Identity object, πέρα από τον προεπιλεγμένο τρόπο λειτουργίας, μπορεί να προσαρμοστεί έτσι ώστε να συνδέεται με κάποιο εξωτερικό αναγνωριστικό.
Η μορφή του έχει ως εξής (βλ. και \url{https://github.com/orbitdb/orbit-db-identity-provider}):
Η μορφή του έχει ως εξής\footnote{Βλ. και\url{https://github.com/orbitdb/orbit-db-identity-provider}}:
Ezerous
3 years ago
