Merge branch 'feature/2-theoretical-background' into develop

chapters/2.theoretical-background/2.3.merkle-trees.tex

@@ -1,8 +1,8 @@
 \section{Δένδρα Merkle} \label{section:2-3-merkle-trees}
 
-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}
+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) που 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.
 
 \begin{figure}[H]
 	\centering
@@ -14,7 +14,7 @@
 
 Έτσι, μέσω των λεγόμενων Merkle proofs, μπορούμε:
 \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, υπολογίζοντας (για το εκάστοτε leaf node) hashes πλήθους ανάλογου του λογαρίθμου του συνολοικού αριθμού των φύλλων.
 	\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} 
 \end{itemize}

chapters/2.theoretical-background/2.5.blockchain.tex

@@ -1,17 +1,25 @@
 \section{Blockchain} \label{section:2-5-blockchain}
 
-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 (currency ή 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}
 
 Δομικό στοιχείο του blockchain είναι το μπλοκ (block), το οποίο περιέχει μία ομάδα έγκυρων συναλλαγών που έχουν κατακερματιστεί και κωδικοποιηθεί σε ένα δένδρο Merkle, το hash του προηγούμενου μπλοκ και μερικά ακόμα μεταδεδομένα (π.χ. nonce, timestamp). Έτσι, κάθε νέο μπλοκ "δείχνει" στο προηγούμενό του μέσω του hash, επιβεβαιώνοντας την ακεραιότητά του, με τα διαδεχόμενα μπλοκ να σχηματίζουν τελικά μία αλυσίδα, μέχρι το αρχικό μπλοκ, το οποίο είναι γνωστό ως το μπλοκ γένεσης (genesis block).\cite{2.5-blockchain}
 
-%TODO: add image like https://cdn.hackernoon.com/hn-images/1*qYKsqQ6aV-DgFD0REfcnig.png or https://ethereum.org/static/6f7d50fd4fab9f8abb94b5e610ade7e4/bf8c1/ethereum-blocks.png --- add that this is simplified
+\begin{figure}[H]
+	\centering
+	\includegraphics[width=.95\textwidth]{assets/figures/chapter-2/2.3.blockchain}
+	\caption{Blockchain ως αλυσίδα από block}
+\end{figure}
 
-Ως προς την κυριότητα επί αυτού, το blockchain συνήθως\footnote{Υπάρχουν και κάποιες υλοποιήσεις ιδιωτικών blockchain που, όμως, δε θα μας απασχολήσουν.} δεν ελέγχεται από κάποια κεντρική οντότητα, αλλά διατηρείται από ένα δημόσιο P2P δίκτυο. Οι κόμβοι (nodes) του δικτύου συμμορφώνονται συλλογικά με ένα πρωτόκολλο συναίνεσης (consensus) για την επικοινωνία και την επικύρωση νέων μπλοκ. Για παράδειγμα, στο Bitcoin, το consensus επιτυγχάνεται μέσω ενός Proof of Work (PoW) αλγορίθμου, όπου οι κόμβοι (miners) ανταγωνίζονται ο ένας τον άλλον για το ποιος θα λύσει πρώτος ένα σύνθετο αλγοριθμικό πρόβλημα που συσχετίζεται με το εκάστοτε block. Αυτός που θα τα καταφέρει επιβραβεύεται για την επεξεργαστική ισχύ που δαπάνησε με ένα ποσό από bitcoin. Εκείνα είναι εν μέρει νέα νομίσματα που κόβονται ή "εξορύσσονται" εκείνη τη στιγμή (όπως ορίζεται από το πρωτόκολλο), αλλά και όσα τέλη (fees) κατέβαλαν οι κόμβοι για να πραγματοποιήσουν τις συναλλαγές του μπλοκ. Αξίζει να σημειωθεί πως δεν είναι αναγκαίο να διαθέτει κανείς ολόκληρο το blockchain (το οποίο είναι ογκώδες) - δηλαδή έναν πλήρη κόμβο - για να επικοινωνήσει με το δίκτυο, αλλά αρκεί ένας light node που απλά αναμεταδίδει την συναλλαγή που επιθυμεί να πραγματοποιήσει ο χρήστης.
+Ως προς την κυριότητα επί αυτού, το blockchain συνήθως\footnote{Υπάρχουν και κάποιες υλοποιήσεις ιδιωτικών blockchain που, όμως, δε θα μας απασχολήσουν.} δεν ελέγχεται από κάποια κεντρική οντότητα, αλλά διατηρείται από ένα δημόσιο P2P δίκτυο. Οι κόμβοι (nodes) του δικτύου συμμορφώνονται συλλογικά με ένα πρωτόκολλο συναίνεσης (consensus) για την επικοινωνία και την επικύρωση νέων μπλοκ. Για παράδειγμα, στο Bitcoin, το consensus επιτυγχάνεται μέσω ενός Proof of Work (PoW) αλγορίθμου, όπου οι κόμβοι (miners) ανταγωνίζονται ο ένας τον άλλον για το ποιος θα λύσει πρώτος ένα σύνθετο αλγοριθμικό πρόβλημα που συσχετίζεται με το εκάστοτε block. Αυτός που θα τα καταφέρει επιβραβεύεται για την επεξεργαστική ισχύ που δαπάνησε με ένα ποσό από bitcoin. Εκείνα είναι εν μέρει νέα νομίσματα που κόβονται ή "εξορύσσονται" εκείνη τη στιγμή (όπως ορίζεται από το πρωτόκολλο), αλλά και όσα τέλη (fees) κατέβαλαν οι κόμβοι για να πραγματοποιήσουν τις συναλλαγές του μπλοκ. Αξίζει να σημειωθεί πως δεν είναι αναγκαίο να διαθέτει κανείς ολόκληρο το blockchain (το οποίο είναι ιδιαίτερα ογκώδες) - δηλαδή έναν πλήρη κόμβο - για να επικοινωνήσει με το δίκτυο, αλλά αρκεί να χρησιμοποιήσει έναν light node που απλά να αναμεταδίδει τις επιθυμητές συναλλαγές.
 
 Η διευθυνσιοδότηση σε ένα blockchain επιτυγχάνεται αξιοποιώντας την κρυπτογραφία δημόσιου κλειδιού. Το πρωτόκολλο του εκάστοτε blockchain ορίζει έναν αλγόριθμο για την παραγωγή ζευγών κλειδιών (π.χ. ECDSA στο Bitcoin). Το δημόσιο από αυτά ορίζει τη διεύθυνση, ενώ το ιδιωτικό παραμένει μυστικό, υπό την κατοχή του χρήστη. Με αυτό τον τρόπο προκύπτει ένα πρακτικά ανεξάντλητο πλήθος πιθανών έγκυρων δημόσιων διευθύνσεων (π.χ. $2^{160}$ για το Bitcoin), στις οποίες οι χρήστες μπορούν να στέλνουν και να λαμβάνουν ποσά του εκάστοτε κρυπτονομίσματος. Για την αποστολή ενός ποσού, δηλώνουν το fee που επιθυμούν να καταβάλουν και υπογράφουν την επιθυμητή συναλλαγή με το ιδιωτικό τους κλειδί. Η συναλλαγή αναμεταδίδεται στο δίκτυο και παραμένει στο transaction pool μέχρις ότου να γίνει αποδεκτή και να συμπεριληφθεί στο επόμενο block.
 
 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
+\begin{figure}[H]
+	\centering
+	\includegraphics[width=.95\textwidth]{assets/figures/chapter-2/2.3.blockchain.world.state}
+	\caption{Blockchain ως μηχανή καταστάσεων}
+\end{figure}
 
-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.
+Σύμφωνα με την ανάλυση της ενότητας \ref{section:1-2-decentralization}, το blockchain είναι αρχιτεκτονικά και πολιτικά αποκεντρωτικό, καθώς δε διαθέτει δομικά 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.

chapters/2.theoretical-background/2.6.ethereum.tex

@@ -26,18 +26,18 @@
 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/}}.
+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{\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.
+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}).
+Η σύνταξη των smart contracts γίνεται κατά βάση σε γλώσσες υψηλού επιπέδου και, συγκεκριμένα, στις Solidity, Vyper και Fe\footnote{\url{https://soliditylang.org/}, \url{https://github.com/vyperlang/vyper} και \url{https://fe-lang.org/}}. 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 \textenglish{smart contracts} και  \textenglish{frontend UIs}. Είναι ντετερμινιστικές, Turing-complete και εκτελούνται απομονωμένα στην EVM.\cite{2.6-ethereum-documentation}

chapters/2.theoretical-background/2.7.ipfs.tex

@@ -22,4 +22,4 @@
 
 Κάτι που θα πρέπει να σημειωθεί είναι πως, σαν προεπιλογή, οι IPFS κόμβοι αντιμετωπίζουν τα αποθηκευμένα δεδομένα ως προσωρινή μνήμη (cache), πράγμα που σημαίνει ότι δεν υπάρχει καμία εγγύηση ότι εκείνα θα συνεχίσουν να παραμένουν αποθηκευμένα σε αυτούς. Για την αποφυγή της διαγραφής τους από τον garbage collector, τα δεδομένα θα πρέπει να σημανθούν ως σημαντικά, μέσω του "καρφιτσώματος" (pinning). Έτσι, για την ομαλή λειτουργία π.χ. μίας DApp που βασίζεται στο IPFS, θα πρέπει το περιεχόμενό της να είναι pinned από αρκετούς peers και/ή να γίνεται χρήση κάποιου pinning service, ώστε να εξασφαλίζεται διαθεσιμότητά του.
 
-Βασικό πλεονέκτημα του IPFS είναι ότι ο αποκεντρωτικός του χαρακτήρας δίνει τη δυνατότητα να παρέχεται το περιεχόμενο από πολλούς κόμβους, οι οποίοι βρίσκονται σε διαφορετικές τοποθεσίες και δεν υπάγονται σε κάποια συγκεκριμένη κεντρική αρχή. Με αυτόν τον τρόπο, τα δεδομένα είναι πιο ανθεκτικά τόσο από άποψη διαθεσιμότητας (αν ένας κόμβος αποσυνδεθεί, θα υπάρχει κάποιος άλλος), όσο και από άποψη αντοχής στη λογοκρισία. Μπορεί, επίσης, να ανακτώνται γρηγορότερα, εφόσον τα διαθέτουν κάποιοι κοντινοί peers, πράγμα ιδιαίτερα πολύτιμο εάν για κοινότητες που είναι καλά δικτυωμένες τοπικά αλλά δεν έχουν καλή σύνδεση με το ευρύτερο διαδίκτυο.
+Βασικό πλεονέκτημα του IPFS είναι ότι ο αποκεντρωτικός του χαρακτήρας δίνει τη δυνατότητα να παρέχεται το περιεχόμενο από πολλούς κόμβους, οι οποίοι βρίσκονται σε διαφορετικές τοποθεσίες και δεν υπάγονται σε κάποια συγκεκριμένη κεντρική αρχή. Με αυτόν τον τρόπο, τα δεδομένα είναι πιο ανθεκτικά τόσο από άποψη διαθεσιμότητας (αν ένας κόμβος αποσυνδεθεί, θα υπάρχει κάποιος άλλος), όσο και από άποψη αντοχής στη λογοκρισία. Μπορεί, επίσης, να ανακτώνται γρηγορότερα, εφόσον τα διαθέτουν κάποιοι κοντινοί peers, πράγμα ιδιαίτερα πολύτιμο για κοινότητες που είναι καλά δικτυωμένες τοπικά αλλά δεν έχουν καλή σύνδεση με το ευρύτερο διαδίκτυο.