Several solutions to tackle the most relevant blockchain limitations in the context of user-confined data and for tuning performances and scalabilty [Varie soluzioni per affrontare le principali limitazioni della blockchain nel contesto dei dati custoditi dall’utente e per ottimizzare le prestazioni e la scalabilità]

Initially employed to create a decentralized cryptocurrency and an autonomous financial market, blockchain technology has significantly reshaped the economic landscape by challenging traditional financial systems and introducing novel methods of value transfer and investment, paving the way for new business models and facilitating capital and financial services for individuals without access to traditional banking systems. The advent of smart contracts, executable programs governed only by their code and running on blockchain’s core technology, has further catalyzed the development of applications beyond the financial sector, enabling decentralized, tamper-resistant, and code-regulated processes that do not need for centralized authorities. However, the creation of blockchain-based distributed applications faces several challenges that could hinder its broader adoption and effectiveness. These challenges span across various dimensions and include privacy concerns due to the inherent transparency of blockchains, scalability limitations as all nodes must validate each transaction, data management issues caused by immutability, which prevents modifications or deletions, interoperability barriers arising from incompatible protocols, and high resource consumption due to energy-intensive consensus mechanisms. This thesis investigates and proposes different solutions to foster innovative interactions with the blockchain, optimizing smart contracts and addressing challenges related to efficiency, costs, immutability, and resource demand. With the aim to leverage the decentralized features of public networks, particularly Ethereum, some proposed solutions, conceived throughout this doctoral research, leverage the edge computing paradigm to mitigate the financial costs associated with blockchain usage and improve performance and throughput. The core security features inherent to blockchain technology and the integrity of off-chain data are maintained by employing outside the blockchain the same underlying technologies used within the blockchain itself. In addition, in the proposed solutions, the economic implications related to transaction processing and smart contract execution, are consistently considered, particularly in Ethereum, as they may pose a barrier to participation but play a crucial role in maintaining balance among stakeholders, including users, validators, and service providers, without relying on a central authority. Finally, a novel blockchain architecture is proposed to address issues related to immutability and the indefinite growth of the chain. The proposed approach enables controlled data deletion, which enhances privacy, reduces storage needs, and ensures compliance with regulations that demand the removal of personal and harmful data, providing a more efficient and flexible foundation for the development of decentralized blockchain-based applications where stored data have a transitory nature and can be deleted overtime.

Inizialmente utilizzata per creare una criptovaluta decentralizzata e un mercato finanziario autonomo, la tecnologia blockchain ha significativamente trasformato il panorama economico sfidando i sistemi finanziari tradizionali e introducendo nuovi metodi di trasferimento e investimento di asset economici, aprendo la strada a modelli di business innovativi e facilitando l’accesso ai servizi finanziari per individui privi di accesso ai sistemi bancari tradizionali. L’avvento degli smart contract, programmi eseguibili governati unicamente dal proprio codice e funzionanti sulla tecnologia centrale della blockchain, ha ulteriormente catalizzato lo sviluppo di applicazioni al di fuori del settore finanziario, permettendo processi decentralizzati, resistenti alle manomissioni e regolati dal codice, senza necessità di autorità centralizzate. Tuttavia, la creazione di applicazioni distribuite basate su blockchain affronta numerose sfide che potrebbero ostacolare una più ampia adozione ed efficacia. Queste sfide si estendono su diverse dimensioni e includono problematiche legate alla privacy, dovute alla trasparenza intrinseca delle blockchain, limitazioni di scalabilità poiché tutti i nodi devono validare ogni transazione, difficoltà nella gestione dei dati a causa dell’immutabilità che impedisce modifiche o eliminazioni, barriere di interoperabilità derivanti da protocolli incompatibili e un alto consumo di risorse dovuto a meccanismi di consenso onerosi dal punto di vista energetico. Questa tesi esamina e propone diverse soluzioni per favorire interazioni innovative con la blockchain, ottimizzando gli smart contract e affrontando problematiche legate a efficienza, costi, immutabilità e fabbisogno di risorse. Con l’obiettivo di sfruttare le caratteristiche decentralizzate delle reti pubbliche, in particolare Ethereum, alcune delle soluzioni proposte, concepite durante questa ricerca di dottorato, sfruttano il paradigma dell’edge computing per mitigare i costi finanziari associati all’uso della blockchain e migliorare le prestazioni e la capacità di throughput. Le caratteristiche fondamentali di sicurezza intrinseche alla tecnologia blockchain e l’integrità dei dati off-chain sono mantenute applicando al di fuori della blockchain le stesse tecnologie di base utilizzate nel cuore della blockchain stessa. Inoltre, nelle soluzioni proposte, le implicazioni economiche legate all’elaborazione delle transazioni e all’esecuzione degli smart contract sono sempre tenute in considerazione, in particolare su Ethereum, poiché possono rappresentare una barriera alla partecipazione ma svolgono un ruolo cruciale nel mantenere l’equilibrio tra gli stakeholder, inclusi utenti, validatori e fornitori di servizi, senza dipendere da un’autorità centrale. Infine, viene proposta una nuova architettura blockchain per affrontare problematiche legate all’immutabilità e alla crescita indefinita della catena. L’approccio proposto consente la cancellazione controllata dei dati, migliorando la privacy, riducendo lo spazio di archiviazione necessario e garantendo la conformità alle normative che richiedono la rimozione di dati personali o inappropriati, fornendo un’infrastruttura più efficiente e flessibile per lo sviluppo di applicazioni decentralizzate basate su blockchain dove i dati memorizzati hanno una natura transitoria e possono essere eliminati nel tempo.