Decentralized systems frameworks for transactional data analytics
Creators: name: Βλαχάβας, Γεώργιος Α.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2025
Subjects: Αποκεντρωμένα συστήματα
Ομαδοποίηση συναλλαγών
Δυναμική αγορών
Ανάπτυξη πλαισίων
Decentralized systems
Transactions clustering
Market dynamics
Framework development

description: Οι αποκεντρωμένες τεχνολογίες έχουν αναδειχθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια, αντικαθιστώντας συχνά τα παραδοσιακά κεντροποιημένα συστήματα και διανέμοντας τον έλεγχο σε ένα δίκτυο συμμετεχόντων. Αυτή η προσέγγιση προσφέρει μεγαλύτερη διαφάνεια, ανθεκτικότητα και αποδοτικότητα, μειώνοντας ευπάθειες και αναποτελεσματικότητες. Η παρούσα διατριβή εξετάζει κρίσιμα ζητήματα των αποκεντρωμένων συστημάτων, παρουσιάζοντας στοχευμένες συνεισφορές που διερευνούν πτυχές όπως η ασφάλεια, η επεκτασιμότητα και η χρηστικότητα. Η πρώτη συνεισφορά επικεντρώνεται στην ταξινόμηση των συναλλαγών Bitcoin εντός ενός ψευδοανώνυμου οικοσυστήματος. Η διατριβή παρουσιάζει ένα πλαίσιο μη εποπτευόμενης ομαδοποίησης (unsupervised clustering), το οποίο βασίζεται αποκλειστικά σε εγγενή δεδομένα του blockchain, παρακάμπτοντας την ανάγκη για εξωτερική σήμανση. Αυτό αποκαλύπτει συμπεριφορικά πρότυπα στις συναλλαγές Bitcoin, όπως συνήθεις δραστηριότητες χρηστών, ανταλλαγές, εξορύξεις και πιθανές παράνομες ενέργειες, παρέχοντας μια βάση για βαθύτερη ανάλυση των αποκεντρωμένων συστημάτων. Η δεύτερη συνεισφορά εξετάζει τον τρόπο που συμβιβάζονται η ιδιωτικότητα και η αποδοτικότητα στις ελαφριές εφαρμογές-πελάτες του Bitcoin μέσω Bloom φίλτρων. Αναλύονται στρατηγικές βελτιστοποίησης για την εξισορρόπηση της ιδιωτικότητας με τους περιορισμούς των πόρων, αντιμετωπίζοντας κρίσιμες προκλήσεις για την επεκτασιμότητα και ασφάλεια των ελαφριών Bitcoin λύσεων. Η τρίτη συνεισφορά διερευνά τη δυναμική σχέση μεταξύ δραστηριότητας στα κοινωνικά μέσα και των τάσεων της αγοράς Bitcoin. Αναλύοντας δεδομένα από την πλατφόρμα Reddit, η διατριβή εντοπίζει σημαντικές συσχετίσεις μεταξύ της διαδικτυακής συζήτησης και βασικών δεικτών της αγοράς, όπως οι διακυμάνσεις τιμών και ο όγκος συναλλαγών. Έτσι, γεφυρώνεται το χάσμα μεταξύ της ψηφιακής επικοινωνίας και της χρηματοοικονομικής ανάλυσης, παρέχοντας ένα πλαίσιο κατανόησης και αξιοποίησης του επενδυτικού συναισθήματος στα οικοσυστήματα των κρυπτονομισμάτων. Η τέταρτη συνεισφορά επικεντρώνεται στο σχεδιασμό αποκεντρωμένων πλαισίων που εξασφαλίζουν ιδιωτικότητα, ασφάλεια και αξιοπιστία. Η διατριβή παρουσιάζει το DeTRACT, μια αποκεντρωμένη υποδομή δημόσιου κλειδιού (PKI) βασισμένη στο blockchain, και το DeCStor, μια ασφαλή αρχιτεκτονική κοινής χρήσης αρχείων που συνδυάζει ισχυρή κρυπτογράφηση με αποκεντρωμένη αποθήκευση. Αυτά τα πλαίσια αντιμετωπίζουν βασικές προκλήσεις εμπιστοσύνης, χρηστικότητας και επεκτασιμότητας, αποδεικνύοντας πώς τα αποκεντρωμένα συστήματα μπορούν να αντικαταστήσουν αποτελεσματικά τις παραδοσιακές κεντρικές λύσεις. Η πέμπτη συνεισφορά αναφέραται στην ασφαλή και αξιόπιστη ανάκληση φράσεων ανάκτησης στα πορτοφόλια κρυπτονομισμάτων. Μια λύση παιχνιδιών σοβαρού σκοπού, το MnemonicMaker, ενσωματώνει τη Μέθοδο του Loci, μια αποδεδειγμένη τεχνική χωρικής μνήμης, σε ένα διαδραστικό πλαίσιο που ενισχύει την ικανότητα των χρηστών να θυμούνται φράσεις ανάκτησης για μεγάλες χρονικές περιόδους. Αυτή η συνεισφορά δεν αντιμετωπίζει μόνο ένα κρίσιμο ζήτημα ασφαλείας αλλά και βελτιώνει τη συνολική εμπειρία χρήστη για την υιοθέτηση των κρυπτονομισμάτων. Η έκτη και τελευταία συνεισφορά παρέχει μια συγκριτική ανάλυση απόδοσης κατανεμημένων συστημάτων βάσεων δεδομένων στη μνήμη σε περιβάλλοντα fog computing. Μέσω αξιολόγησης αυτών των συστημάτων υπό διάφορα φορτία και συνθήκες δικτύου, η διατριβή εξετάζει τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα μεταξύ προηγμένων χαρακτηριστικών, όπως η συμμόρφωση με το πρότυπο ACID. Αυτή η ανάλυση προσφέρει πρακτικές κατευθύνσεις για την επιλογή βάσεων δεδομένων που ισορροπούν μεταξύ λειτουργικών απαιτήσεων και απόδοσης σε δυναμικά, περιορισμένων πόρων οικοσυστήματα fog computing. Συνολικά, οι συνεισφορές της διατριβής προωθούν τη γνώση στα αποκεντρωμένα και κατανεμημένα συστήματα, παρέχοντας πολύτιμες γνώσεις για τη βελτίωση της ασφάλειας, της ιδιωτικότητας, της χρηστικότητας και της απόδοσης των εφαρμογών blockchain, ανοίγοντας τον δρόμο για ευρύτερη υιοθέτηση και πρακτική εφαρμογή.
description: Advancements in decentralized systems hold great promise for transforming traditional models but face adoption challenges across technical, regulatory, and usability domains. These include transaction pattern analysis in pseudo-anonymous environments, privacy and efficiency in lightweight Bitcoin clients, the influence of social media on cryptocurrency markets, secure decentralized application design, cryptocurrency wallet recovery, and fog-based database performance optimization. This thesis systematically addresses these issues, presenting targeted contributions that explore key aspects of decentralized technologies. While each contribution tackles a distinct problem, they collectively highlight the shared challenges of security, scalability, and usability. The first contribution focuses on the classification of Bitcoin transactions within a pseudo-anonymous 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. These contributions advance knowledge in decentralized and distributed systems, offering insights into enhancing security, privacy, usability, and performance in blockchain applications, paving the way for broader adoption and practical implementation.