Distributed consensus and transactional trust mechanisms based on Blockchain technologies

Abstract

Technology is in a timeless dialectic relationship with life and economy. It feeds and is fed by the perpetual circle of growth and recession. Established standards, processes and authorities are being constantly reassessed and eventually, new forms of operation in the technological, financial, and societal level are rising. One of the relatively recent technological advancements, Blockchain, introduces a radical new perception on the notion of “transaction”. The validity of the cliché quote “Blockchain questions the necessity of third-trusted parties and delivers a distributed way for secure transactions between non-trusted parties” is indisputable. Still, it constitutes but a mere assertion on the excessive impact of the Blockchain technology in the economy and in the society. Blockchain is a remarkable construct that not only revolutionizes the financial transactional activity, but foremost, it introduces a whole new perception on “validity” and “trust”. It impels a radical shift from the trust to the authority to the trust in the provable procedure.To maximize its positive impact in our society, as well as in the rising meta-society, it is essential that its’ aspects are analyzed and assimilated in depth. Our understanding of it as a dynamic and evolving process under the entropy-based consideration of the economy and the well-established scientific, societal, and semantical frameworks such as the Great laws of nature, the systems theory and the game theory is essential. It will allow for the construction of self-evolving and self-supervised artificial systems and for the establishment of provable consistency and dynamic consensus-achievement processes in the Metaverse.Philosophically seen, consensus relies to some extent on data as well as functional redundancy among the atoms: the consenting parties share an amount of the same data, and similar mechanisms to decode and conclude on them.In the real world, consensus-achievement and supervision is a trailing process. Societal mechanisms such as the complex legislative systems have evolved over time, and are invoked in the light of disputes among the interacting entities over specific events. The required data redundancy is often limiting among the relatively few interested parties and the witnesses of the event, while the required functional redundancy often takes the shape of a shared perceptual background among the atoms, which is usually addressed as common sense, or rationality. This strengthens the consideration of consensus achievement in a system of interacting entities as a dynamic, flexible and scalable process.Many of the prevailing Blockchain architectures tend to oversee this fact. In them, consensus is delivered under the rigid consideration of absolute agreement upon a monolithic, catholic, and always finalized ledger of events. Under this perspective, a copy of the overall transactions’ ledger since the beginning of the recordings must reside in every peer and autonomous node. While seen from the individualistic system point of view, this is equivalent to an “everybody knows everything and agrees on everything at all times” assertion. In an attempt to apply this absolute requirement in systems of limited-capacity atoms, (such as the micro-devices of the IoT world), someone will soon reach to the conclusion that in the generic case it cannot be supported, since most of them do not bear enough capacity to store and process the entire ledger. This fact prohibits the fully distributed operation of Blockchain in systems made of limited capacity atoms.Towards this, this Thesis adopts a radically different, bottom-up approach: It identifies the minimum essential functionality of Blockchain, as well as the minimum memory and processing capacity an entity in a system must have to support it. Following, it demonstrates that upon these minimum-capacity and functionality atoms, escalating complexity consensus policies can be supported exploiting the combined proofing ability of the community. This work addresses one of the main weaknesses of the established consensus-achievement mechanisms: their structural inability to support fully distributed operation over small capacities, which, while remains untreated, leads back to re-centralized ledgers and consensus-supervision processes. It argues that the “exact data replication” consideration of consensus is not imperative in a system and does not deliver any matchless robustness advantages either. It brings the requirement for data replication down to the smallest useful piece of information, that of the single unilateral transaction event, and introduces a new perception on consensus-achievement as a scalable, evolutionary process that can be built and sustained collectively by finite capacity atoms.To analyze this process, the IoT micro-Blockchain is introduced as a novel, minimal Blockchain functionality containment that can apply in the lowest operational level of the IoT devices. Upon this, a primary set of consistency rules that every atom can easily carry out to support trailing, complex consensus-achievement is defined under the graceful term the Seed of Truth. Consensus achievement in a system is of fundamental importance. This work acknowledges that the fundamental element of consensus is the mutual provability of a property. A number of escalating complexity proofing classes have emerged, the most prominent being the Proof of Work – PoW, Proof of Stake-PoS, Proof of Originality-PoO, Proof of Ownership – PoOw, Proof of consistency-PoC, etc. An also interesting class is the NonInteractive proof of PoW which facilitates monetary/ownership transfer transactions in environments of sparse network presence or temporal absence (off-grid). In this work The Proof of Existence is selected and analyzed as a fundamental universal proofing case. Its feasibility is demonstrated, its core attributes are highlighted, and its complexity is analyzed under various system considerations. To study the dynamic behavior of the system, the Fame Game is defined and run as a competitive non-zero-sum game played by the atoms. It models the impact of the behavioral pattern of the atoms and provides with the means to guide the development of adaptive behavioral algorithms. The computational complexity and the performance of the system is assessed utilizing the properties of the Graphs. This work demonstrates that a primary set of transitive consistency rules can efficiently deliver universal validity and factual transactional trust in the IoT ecosystems and in the metaverse, under conditions of high diversity, eventual consistency, and limited atomic capacity. Given a resilient to computational attacks and lightweight-enough low-level atomic consistency layer such as the IoT micro-Blockchain, every atom can become a valuable and unique part in the reality of the system. It can witness and be witnessed by others in a peer manner, and have an overall positive impact to the coherency of the system.This Thesis aspires most of all, to inspire the development of the next-generation transactional trust-building logic and instruments for the rising multiagent metaverse, and to advance the meta society by embracing and praising peer-ness, autonomy, collectiveness, and universality.

Η Τεχνολογία βρίσκεται διαχρονικά σε διαλεκτική σχέση με τη ζωή και την Οικονομία. Ο αέναος κύκλος της οικονομικής άνθισης και ύφεσης τροφοδοτεί και τροφοδοτείται διαρκώς από τη σχέση αυτή. Παγιωμένα πρότυπα, διαδικασίες και θεσμοί τίθενται περιοδικά υπό κρίση και παράγουν νέες μορφές λειτουργίας και αλληλεπίδρασης σε τεχνολογικό, οικονομικό και κοινωνικό επίπεδο. Μια από τις πρόσφατες σχετικά τεχνολογικές εξελίξεις, αυτή του Blockchain, έρχεται να εισάγει μια νέα φιλοσοφία στις συναλλαγές, στην οικονομική και εν γένει κοινωνική αλληλεπίδραση. Η δυνατότητα δυο δυνητικά μη έμπιστων αλληλοεπιδρώντων μερών να συναλλάσσονται μεταξύ τους με αξιοπιστία χωρίς την αναγκαιότητα της παρεμβολής τρίτου έμπιστου μέρους είναι επαναστατική. Καθίσταται πλέον σαφής η ανάγκη ενδελεχούς μελέτης των μηχανισμών της και η σε βάθος έρευνα της επίδρασής της στην σύγχρονη οικονομία με ποσοτικά κριτήρια.Η ιδέα των «κατανεμημένων καθολικών» (distributed ledgers) και των «αλυσίδων αναμφισβήτητων μεταβάσεων» (Blockchain) είναι σχετικά νέα [1],[2],[3], ωστόσο η καταλυτική της επίδραση στην ανθρώπινη δραστηριότητα είναι πρωτοφανής και οι πιθανές της επιπτώσεις της τώρα αρχίζουν να γίνονται αντιληπτές [4],[5],[6]. Υπό το πρίσμα και την πρωτοφανή αύξηση της δημοτικότητας και της αξίας των κρυπτογραφικών νομισμάτων, οι τεχνολογίες Blockchain τυγχάνουν ραγδαία αυξανόμενης σημαντικότητας στην παγκόσμια δραστηριότητα. Έχουν καταλυτική επίπτωση σε υπολογιστικό, οικονομικό, διαχειριστικό και διοικητικό επίπεδο [7]-[15]. Κάθε πτυχή, τόσο της της ανθρώπινης δραστηριότητας, όσο και της δραστηριότητας πρακτόρων ευφυούς λογισμικού αλλά και αντικειμένων στο πλαίσιο του διαδικτύου των πραγμάτων [6],[7], η οποία χαρακτηρίζεται από την αλληλεπίδραση και την ανταλλαγή πληροφορίας, υπόκειται δυνητικά στην επαναστατική αυτή διαδικασία [8]-[13]. Η μοντέρνα οικονομία και διοίκηση (management / administration) καλείται ήδη να αφομοιώσει την τεχνολογική αυτή εξέλιξη [4],[5],[7]-[15]. Το Blockchain προκαλεί «αναστάτωση» ανάλογη των μεγάλων τεχνολογικών και διανοητικών επιτευγμάτων όπως οι τηλεπικοινωνίες, το συμβόλαιο, το χρήμα. Η υιοθέτηση μοντέλων Blockchain στην παραγωγική και σύγχρονη διοικητική διαδικασία προϋποθέτει την κατανόηση και αποδοχή τους.Η εισαγωγή ενός νέου τεκμηρίου σε ένα πραγματικό ή εικονικό περιβάλλον είναι μια δυνητικά απαιτητική διαδικασία από πλευράς υπολογιστικού ή και επικοινωνιακού φόρτου και κόστους, αλλά, μόλις συμβεί αυτό, η επαλήθευση και αποδοχή ενός τεκμηρίου ως «αντικειμενικά πραγματικού» είναι στη συνέχεια αυταπόδεικτη και δεν απαιτεί ιδιαίτερη προσπάθεια.Σε φιλοσοφικό επίπεδο έρχεται να εισάγει ένα νέο προσδιορισμό της «αντικειμενικής», υπό την έννοια της «δύσκολα αμφισβητήσιμης», συλλογικής αλήθειας [16]-[20], τόσο σε φυσικά περιβάλλοντα αλληλεπίδρασης και συναλλαγής, όσο και σε περιβάλλοντα εικονικής, επαυξημένης και μικτής πραγματικότητας. Πρόκειται για μια επαναστατική διαδικασία, την οποία το σύγχρονο οικονομικό περιβάλλον καλείται να αφομοιώσει και να αξιοποιήσει ταχύτατα. Η παρούσα Διατριβή εξετάζει την εφαρμογή της ιδέας των κατανεμημένων αλυσίδων αναμφισβήτητων μεταβάσεων στις συναλλαγές και εν γένει στη σύγχρονη οικονομική λειτουργία, σε περιβάλλοντα πεπερασμένης πολυπλοκότητας.Υπό το πρίσμα αυτό, διερευνά τη δυνητική επίδραση κατανεμημένων μοντέλων του τύπου Blockchain στην εγκαθίδρυση μιας οικουμενικής αντίληψης της έννοιας του έγκυρου, χωρίς την απαίτηση τρίτων έμπιστων μερών, την επίπτωση και το κόστος εφαρμογής που αυτό έχει στο σύγχρονη οικονομία και διοίκηση.ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟ ΕΝΔΙΑΦΕΡΟΝ - ΠΡΩΤΟΤΥΠΙΑΗ ιδέα του καθολικού είναι θεμελιώδης στη σύγχρονη λογιστική και χρηματοοικονομική επιστήμη. Η ακεραιότητα των καταγραφών των συναλλαγών εδράζεται σε σημαντικό βαθμό στο διπλογραφικό σύστημα καταχωρήσεων [21]. Η ιδέα της ύπαρξης «ακριβούς αντίγραφου» της πληροφορίας της συναλλαγής είναι κεντρική, και διασφαλίζει τη συναλλαγή από την ύπαρξη κακόβουλου συναλλασσόμενου μέρους. Κατά αναλογία, η ύπαρξη ενός διαφανούς, υπό την έννοια του δημοσίως διαθέσιμου, προσβάσιμου και διατηρήσιμου από τον καθένα αντιγράφου του καθολικού των συναλλαγών αποτελεί βασικό συστατικό της τεχνολογίας Blockchain. Η ίδια η αξιοπιστία και η ευρωστία του Blockchain στηρίζεται επί του παρόντος στην ιδέα της ακριβούς αναπαραγωγής του καθολικού των συναλλαγών σε πολλαπλά αντίγραφα. Όπως γίνεται άμεσα αντιληπτό, προϊόντος του χρόνου, παραλλαγές της αλυσίδας αναμένεται να εμφανιστούν στο σύστημα τόσο εξαιτίας τεχνικών αδυναμιών των δικτύων επικοινωνιών (καθυστέρηση διάδοσης) όσο και εξαιτίας της δυνητικής ύπαρξης κακόβουλων μερών. Η ύπαρξη γενικά αποδεκτών κανόνων συναίνεσης ως προς την εγκυρότητα του καθολικού είναι θεμελιώδης, η δε επίτευξη συναίνεσης με πλήρως κατανεμημένο τρόπο συνιστά ανοικτό ερευνητικό πεδίο.Στην παρούσα εργασία επανεξετάζουμε και αμφισβητούμε την αναγκαιότητα της «απόλυτης και ακριβούς» μονολιθικής αντιγραφής του συνόλου του καθολικού των συναλλαγών, και αντιπροτείνουμε τον επιμερισμό της αντιγραφής στο επίπεδο της ελάχιστης συναλλακτικής αλληλεπίδρασης, αυτή της μονομερούς συναλλαγής. Με τον τρόπο αυτό πετυχαίνουμε:Α. να φέρουμε τη λειτουργικότητα του Blockchain στο ελάχιστο δυνατό φυσικό επίπεδο, μέσα σε κάθε μικρο-συσκευή του Internet των πραγμάτων.Β. να δομήσουμε και να υποστηρίξουμε πολύπλοκους μηχανισμούς κατανεμημένης συναίνεσης και αντικειμενικότητας συλλογικά, σε συστήματα ατόμων πεπερασμένων δυνατοτήτων. Η χρήση του πλήρως κατανεμημένου Blockchain ως βασικού μέσου για τη διαμόρφωση και την εγκαθίδρυση μιας γενικά αποδεκτής και υπό την οπτική αυτή αντικειμενικής αλήθειας και συναλλακτικής πίστης, συνιστά καινοτόμα θεώρηση, η οποία αγγίζει την ίδια τη φύση της ανθρώπινης λειτουργίας και αλλάζει άρδην τους κανόνες της οικονομικής και όχι μόνο αλληλεπίδρασης και συναλλαγής: μόλις ένας απλός κανόνας μετάβασης γίνει γενικά αποδεκτός (αξίωμα) τότε, το σύνολο της αλήθειας ενός περιβάλλοντος μπορεί να χτιστεί και να συντηρηθεί συλλογικά, βασισμένο επάνω σε αυτό τον απλό κανόνα. Η παρούσα εργασία αναλύει την αιτιότητα της διαδικασίας επίτευξης συναίνεσης σε συστήματα ομότιμων ατόμων και μελετά διεξοδικά τόσο την εφικτότητα της εφαρμογής της όσο και τις παραμέτρους που υπεισέρχονται σε αυτή. Αποδεικνύει στην πράξη ότι ένα μικρό σύνολο πρωταρχικών μεταβατικών συναλλακτικών κανόνων είναι αρκετό για εγκαθιδρυθεί και να επιτηρηθεί συλλογικά η έννοια της έγκυρης συναλλαγής και εν γένει της εγκυρότητας μέσα σε ένα σύστημα.Βιώνουμε την απαρχή της μετάβασης από την «πίστη στους θεσμούς» στην «πίστη στην αποδείξιμη διαδικασία». Η μετάβαση αυτή απαιτεί αυξημένες δεξιότητες σε ατομικό επίπεδο. Προσδίδει δε στο άτομο και την κοινωνία απαράμιλλες δυνατότητες αυτόνομης λειτουργίας, και επιβάλλει πλήρη σεβασμό στους κοινά αποδεκτούς κανόνες του συνόλου. Η σύγχρονη οικονομική και διοικητική λειτουργία έχει ήδη ξεκινήσει να ερευνά και να αφομοιώνει την τεχνολογική αυτή εξέλιξη [8]-[14].Η Συναίνεση σε ένα σύστημα είναι θεμελιώδους σημασίας. Βασίζεται στην αμοιβαία αποδεκτή απόδειξη μιας ιδιότητας και αποτελεί τη βάση κάθε συναλλαγής. Η ιδιότητα αυτή μπορεί να ποικίλει ανάλογα με τις απαιτήσεις κάθε πεδίου εφαρμογής. Μερικές από τις διαδεδομένες «κλάσεις αποδείξεων» αποτελούν οι: απόδειξη έργου (Proof of Work – PoW), μεριδίου (Proof of Stake-PoS), γνησιότητας (Proof of Originality-PoO), ιδιοκτησίας (Proof of Ownership – PoOw), συνέπειας (Proof of consistency-PoC), κλπ.. Ενδιαφέρον παρουσιάζει επίσης η κατηγορία της «μη διαδραστικής απόδειξης – απόδειξης έργου (Non Interactive proof of PoW)» η οποία επιτρέπει την διεξαγωγή χρηματικών συναλλαγών σε περιβάλλοντα μειωμένης παρουσίας ή και περιστασιακής απουσίας δικτύου (off-grid). Μια από τις αδυναμίες των κυρίαρχων σήμερα αρχιτεκτονικών Blockchain είναι η εφαρμογή τους σε πλήρως κατανεμημένα περιβάλλοντα αυτόνομων, ομότιμων κόμβων (ατόμων). Η παρούσα διατριβή θεραπεύει αυτή την αδυναμία, εισάγοντας την έννοια της «προσωπικής και επαληθεύσιμης διασυνδεδεμένης αλυσίδας» ως μέσο επίτευξης συλλογικής συναίνεσης σε ένα σύστημα. Μελετάει την ανάπτυξη εξελικτικών μεθόδων επίτευξης συλλογικής συναίνεσης και συναλλακτικής πίστης, αξιοποιώντας καλά εδραιωμένες μεθόδους υπό το πρίσμα της θεωρίας των πολύ-Γράφων και των Παιγνίων. Μελετά και διευρύνει τη θεώρηση του Blockchain όχι ως μιας απλής «αποκεντρωμένης» ως μιας «πλήρως κατανεμημένης» δομής.Οι κλασσικές αρχιτεκτονικές Blockchain βασίζονται στην ύπαρξη πολλαπλών ακριβών αντιγράφων του συνόλου του καθολικού σε πολλαπλούς κόμβους στο σύστημα (exact database replication). Η παρούσα εργασία εισάγει την ιδέα του πλήρως κατανεμημένου καθολικού, υπό τη μορφή υποκειμενικών διασυνδεδεμένων αλυσίδων γεγονότων οι οποίες τηρούνται τοπικά σε κάθε κόμβο. Με τον τρόπο αυτό, κάθε κόμβος αποκτά λειτουργική αυτοτέλεια και αποτελεί μοναδικό «άτομο» του συστήματος.Αποδεικνύει στην πράξη, ότι με τη χρήση των αρχών των τεχνολογιών Blockchain είναι δυνατή και υπολογιστικά εφικτή η επίτευξη σύνθετης συναίνεσης σε συστήματα τα οποία αποτελούνται από άτομα πεπερασμένων δυνατοτήτων. Με βάση τα ευρήματα της παρούσας εργασίας αποδεικνύεται εμφατικά ότι άτομα «τετριμμένων δυνατοτήτων» είναι δυνατόν να συνεργαστούν προκειμένου να εξυπηρετήσουν διαδικασίες επίτευξης σύνθετης και πολύπλοκης συναίνεσης, η οποία ξεπερνά κατά πολύ τις υπολογιστικές δυνατότητες του μεμονωμένου ατόμου. Αυτή είναι μια θεμελιώδης και καινοτόμα θεώρηση, η οποία εισάγει και προάγει την αντίληψή μας επί του Blockchain ως μιας πλήρως κατανεμημένης, συλλογικής οργανωτικής δομής η οποία διαρθρώνεται «από κάτω προς τα πάνω», σέβεται την αυτοτέλεια του ατόμου και εδράζει στην ελάχιστη κοινή πρωτογενή ικανότητά του να διακρίνει το «ὄν» από το «οὐκ ὄν», το υφιστάμενο από το μη υφιστάμενο. Εισάγει και μελετά την έννοια της «υποκειμενικής αλυσίδας γεγονότων» και αποδεικνύει ότι εισάγοντας ένα απλό και καθολικό λειτουργικό κανόνα εγκυρότητας σε ατομικό επίπεδο, κάθε σύστημα μπορεί αυτοδύναμα να ορίσει και να επιτηρήσει σύνθετους κανόνες συναίνεσης. Μπορεί να αναπτύσσει και να υποστηρίζει σύνθετους μηχανισμούς ελέγχου εγκυρότητας και συναλλακτικής πίστης. Μπορεί να αυτό-επιτηρείται και να αυτό-εξελίσσεται∙ μπορεί να δημιουργεί και να συντηρεί τη δική του «πραγματικότητα».Η Διατριβή αυτή μεταξύ άλλων:•Ερευνά την αιτιότητα η οποία διέπει τη διαδικασία της επίτευξης συναίνεσης και της εγκαθίδρυσης συναλλακτικής πίστης σε ένα σύστημα.•Ερευνά εκτενώς τους κύριους τύπους των υφιστάμενων αρχιτεκτονικών των μηχανισμών συλλογικής συναίνεσης (consensus mechanisms) και προτείνει αποδοτικότερους αλγόριθμους και αρχιτεκτονικές εφαρμογής τους σε πλήρως κατανεμημένα περιβάλλοντα στο πλαίσιο του Ίντερνετ των Πραγμάτων (IoT) και του Μεταπεριβάλλοντος (metaverse). •Αξιολογεί με ποσοτικά κριτήρια όπως το κόστος, την ανοχή σε επιθέσεις και την υπολογιστική πολυπλοκότητα, τους επικρατέστερους μηχανισμούς Blockchain πάνω σε δεδομένα πραγματικής, φυσικής αλληλεπίδρασης. •Αναλύει τις ιδιότητες των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών με όρους υπολογιστικής πολυπλοκότητας, και στα πεδία της θεωρίας των Παιγνίων και των Γράφων.•Διερευνά την εγκαθίδρυση εναλλακτικών τρόπων αξιόπιστων συναλλαγών και τεκμηριώνει την εφαρμογή τους με ποσοτικά κριτήρια.•Τεκμηριώνει θεώρηση της τεχνολογίας Blockchain ως μιας ευρύτερης διαδικασίας εγκαθίδρυσης «κοινού τόπου» μεταξύ αλληλοεπιδρώντων μερών. •Προάγει την οικουμενική αποδοχή της ίδιας αυτής της διαδικασίας ως εναλλακτικό φορέα πίστης.•Προσδιορίζει τα χαρακτηριστικά του ελάχιστου γνωσιακού υποβάθρου ως θεμέλιου λίθου της διαδικασίας αυτής.•Εισάγει τη θεώρηση της διαδικασίας της κατανεμημένης επίτευξης συναίνεσης υπό το πρίσμα της εντροπίας και του δεύτερου θερμοδυναμικού νόμου.•Προάγει την θεώρηση του Blockchain και της κατανεμημένης συναίνεσης έξω και πέρα από τη συνήθη συναλλακτική διαδικασία της μεταβίβασης κυριότητας και των χρηματικών συναλλαγών. •Καθοδηγεί τη σύγχρονη σκέψη στην εγκαθίδρυση δίκαιων κανόνων εγκυρότητας και συναλλακτικής πίστης στην εξελισσόμενη Μετακοινωνία των αλληλεπιδραστικών περιβαλλόντων μικτής και εικονικής πραγματικότητας.•Φιλοδοξεί να συνδράμει στην επιτάχυνση της συντελούμενης κοινωνικής μετάβασης στην εποχή των μη απαιτούμενων τρίτων έμπιστων μερών.