Contributions to improving user experience of decentralized applications

Abstract

(English) Traditionally, individuals and organisations have relied on third parties, such as notaries, banks, and public entities, to verify or notarize information related to processes often lacking transparency and subject to unequal power dynamics. Blockchain technology has emerged as a revolutionary tool with the potential to transform industries by providing decentralised, transparent, and traceable systems. Despite its promise, blockchain adoption remains limited, particularly among individuals and small businesses unfamiliar with its complexities. This doctoral thesis seeks to bridge the gap between blockchain’s potential and its practical applications. Three key challenges are addressed to build enhanced decentralised applications: accessibility for end users, using blockchain to provide trust in data exchanges and enhancing scalability to promote the massive integration of blockchain in real world applications. Regarding the first line of research, we proposed an architecture to decrease entry barriers for end users to distributed ledger technologies. In particular, we proposed mechanisms to enhance the user onboarding process and to simplify the key life-cycle management. Our architecture uses a middleware that allows us to decouple the digital signatures required for paying blockchain fees from the ones required for authorization. This approach has the advantage that users are not forced to create wallets, buy cryptocurrency, or protect their private keys. In the second line of research, we addressed the problem of distrust between data providers and data consumers. Data providers want to get paid for what they offer, while data consumers want to know exactly what they are paying for before actually paying for it. Our contribution is to propose a protocol that overcomes this obstacle by building trust based on two main ideas: first, a probabilistic verification protocol, where some random samples of the real dataset are shown to buyers in order to allow them to make an assessment before committing any payment; and second, a protected payment process enforced with smart contracts on a public blockchain that guarantees the payment of data if and only if the provided data meet the agreed terms, and that honest players are otherwise refunded. Finally, in the third and last line of research, we tackle the challenge of scaling blockchain networks. In particular, we explore how layer two solutions can be used to scale blockchains effectively, focusing on the key metrics of performance such as throughput and delay. Our proposal is based on zero knowledge proofs and in this context, we delve into advanced scaling techniques, such as horizontal scaling with proof aggregation and vertical scaling through optimised hardware. By addressing these challenges, the thesis aims to develop secure, scalable, and user-friendly blockchain solutions, encouraging wider adoption and helping society move toward more equitable and decentralised systems. (Català) Tradicionalment, les persones i les organitzacions han depès de tercers, com notaris, bancs i entitats públiques, per verificar o notariar informació relacionada amb processos que sovint manquen de transparència i estan subjectes a dinàmiques de poder desiguals. La tecnologia blockchain ha emergit com una eina revolucionària amb el potencial de transformar indústries en proporcionar sistemes descentralitzats, transparents i traçables. Malgrat la seva promesa, l’adopció de blockchain segueix sent limitada, especialment entre individus i petites empreses que no estan familiaritzades amb les seves complexitats. Aquesta tesi doctoral busca tancar la bretxa entre el potencial del blockchain i les seves aplicacions pràctiques. S’aborden tres desafiaments clau per construir aplicacions descentralitzades millorades: l’accessibilitat per als usuaris finals, l’ús de blockchain per proporcionar confiança en els intercanvis de dades i la millora de l’escalabilitat per promoure la integració massiva de blockchain en aplicacions del món real. Pel que fa a la primera línia de recerca, vam proposar una arquitectura per reduir les barreres d’entrada per als usuaris finals a les tecnologies de llibre major distribuït. En particular, vam proposar mecanismes per millorar el procés d’incorporació d’usuaris i simplificar la gestió del cicle de vida de les claus. La nostra arquitectura utilitza un middleware que ens permet desacoblar les signatures digitals requerides per pagar les tarifes de blockchain de les necessàries per a l’autorització. Aquest enfocament té l’avantatge que els usuaris no estan obligats a crear carteres, comprar criptomonedes o protegir les seves claus privades. En la segona línia de recerca, vam abordar el problema de la desconfiança entre els proveïdors i els consumidors de dades. Els proveïdors de dades volen ser remunerats pel que ofereixen, mentre que els consumidors de dades volen saber exactament per què estan pagant abans de fer el pagament. La nostra contribució és proposar un protocol que superi aquest obstacle mitjançant la construcció de confiança basada en dues idees principals: primer, un protocol de verificació probabilística, en el qual es mostren algunes mostres aleatòries del conjunt de dades real als compradors per permetre’ls fer una avaluació abans de comprometre qualsevol pagament; i segon, un procés de pagament protegit, aplicat mitjançant contractes intel·ligents en una blockchain pública, que garanteix el pagament de les dades només si les dades proporcionades compleixen amb els termes acordats, i que els jugadors honestos siguin reemborsats si no és així. Finalment, en la tercera i última línia de recerca, vam abordar el desafiament d’escalar xarxes blockchain. En particular, explorem com les solucions de capa dos es poden utilitzar per escalar blockchains de manera efectiva, centrant-nos en les mètriques clau de rendiment, com el rendiment i la latència. La nostra proposta es basa en proves de coneixement zero i, en aquest context, aprofundim en tècniques avançades d’escalat, com l’escalat horitzontal amb agregació de proves i l’escalat vertical mitjançant maquinari optimitzat. En abordar aquests desafiaments, la tesi té com a objectiu desenvolupar solucions de blockchain segures, escalables i fàcils d’utilitzar, fomentant una major adopció i ajudant la societat a avançar cap a sistemes més equitatius i descentralitzats. (Español) Tradicionalmente, las personas y organizaciones han dependido de terceros, como notarios, bancos y entidades públicas, para verificar o notariar información relacionada con procesos que a menudo carecen de transparencia y están sujetos a dinámicas de poder desiguales. La tecnología blockchain ha emergido como una herramienta revolucionaria con el potencial de transformar industrias al proporcionar sistemas descentralizados, transparentes y trazables. A pesar de su promesa, la adopción de blockchain sigue siendo limitada, especialmente entre individuos y pequeñas empresas que no están familiarizados con sus complejidades. Esta tesis doctoral busca cerrar la brecha entre el potencial del blockchain y sus aplicaciones prácticas. Se abordan tres desafíos clave para construir aplicaciones descentralizadas mejoradas: la accesibilidad para los usuarios finales, el uso de blockchain para proporcionar confianza en los intercambios de datos y la mejora de la escalabilidad para promover la integración masiva de blockchain en aplicaciones del mundo real. Con respecto a la primera línea de investigación, propusimos una arquitectura para reducir las barreras de entrada para los usuarios finales a las tecnologías de libro mayor distribuido. En particular, propusimos mecanismos para mejorar el proceso de incorporación de usuarios y simplificar la gestión del ciclo de vida de las claves. Nuestra arquitectura utiliza un middleware que nos permite desacoplar las firmas digitales requeridas para pagar las tarifas de blockchain de las necesarias para la autorización. Este enfoque tiene la ventaja de que los usuarios no están obligados a crear billeteras, comprar criptomonedas o proteger sus claves privadas. En la segunda línea de investigación, abordamos el problema de la desconfianza entre los proveedores y consumidores de datos. Los proveedores de datos quieren ser remunerados por lo que ofrecen, mientras que los consumidores de datos desean saber exactamente por qué están pagando antes de realizar el pago. Nuestra contribución es proponer un protocolo que supere este obstáculo mediante la construcción de confianza basada en dos ideas principales: primero, un protocolo de verificación probabilística, en el cual se muestran algunas muestras aleatorias del conjunto de datos real a los compradores para permitirles hacer una evaluación antes de comprometer cualquier pago; y segundo, un proceso de pago protegido, aplicado mediante contratos inteligentes en una blockchain pública, que garantiza el pago de los datos solo si los datos proporcionados cumplen con los términos acordados, y que los jugadores honestos sean reembolsados si no es así. Finalmente, en la tercera y última línea de investigación, abordamos el desafío de escalar redes blockchain. En particular, exploramos cómo las soluciones de capa dos pueden usarse para escalarblockchains de manera efectiva, enfocándonos en las métricas clave de rendimiento como el rendimiento y el retraso. Nuestra propuesta se basa en pruebas de conocimiento cero y, en este contexto, profundizamos en técnicas avanzadas de escalado, como el escalado horizontal con agregación de pruebas y el escalado vertical mediante hardware optimizado. Al abordar estos desafíos, la tesis tiene como objetivo desarrollar soluciones blockchain seguras, escalables y fáciles de usar, fomentando una mayor adopción y ayudando a la sociedad a avanzar hacia sistemas más equitativos y descentralizados.