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Le 19 avril 2023

Soutenance de thèse de Lucas MASSONI SGUERRA

Contrats intelligents pour les enchères : de l'évaluation expérimentale à la confidentialité

Résumé de la thèse en français

Actuellement, la grande majorité des enchères ont lieu dans des services centralisés, ce qui oblige les participants à abandonner le contrôle à l'enchérisseur, laissant les participants à la merci du système, sans autre choix que de faire confiance au service, en espérant que le processus est efficace et honnête, c.-à-d qu'il utilise bien les ressources informatiques et ne divulgue pas d'informations privées. Dans cette thèse, nous étudions si les technologies de blockchain, conçues pour fournir des environnements de confiance pour l'exécution de programmes ("contrats intelligents"), fournissent un environnement efficace et sécurisé pour les enchères. Pour rendre cette analyse plus concrète, nous avons sélectionné une enchère dite "véridique", connue sous le nom de Vickrey-Clarke-Groves pour la recherche sponsorisée (VCG pour la recherche), comme base pour évaluer les impacts de ces environnements sur le processus d'enchères. La première étape de notre recherche est la formalisation des algorithmes VCG, ou "mécanismes". Nous donnons les spécifications du mécanisme VCG général et de sa variante VCG pour la recherche à l'aide de l'assistant de preuve Coq, ainsi que les preuves de certaines de leurs propriétés. Après avoir posé les bases solides pour la définition des enchères, nous décrivons notre raisonnement pour le choix d'un échantillon de systèmes blockchain à utiliser comme base pour la recherche expérimentale. Nous avons restreint notre étude systématique et scientifiquement fondée des systèmes blockchain à Ethereum et Tezos. Ethereum, la norme de l'industrie pour le développement de contrats intelligents et Tezos, une blockchain plus récente qui entend résoudre certains des problèmes de performance d'Ethereum en sélectionnant un mécanisme de consensus plus efficace, la proof-of-stake (PoS) au lieu de l'approche de la proof-of-work utilisée par Ethereum. Notre méthodologie de comparaison de performance se concentre sur l'évaluation expérimentale des deux systèmes en termes de programmabilité, de performance et de coût. Nos tests indiquent qu'au moment de l'étude, Ethereum surpassait Tezos en termes de programmabilité et de soutien de la communauté, ce qui nous a amenés à le choisir comme blockchain pour fonder le reste de notre recherche. De plus, nos tests fournissent des preuves numériques de l'existence de limitations significatives de la scalabilité pour Ethereum et son algorithme de consensus; ces lacunes ont également été notées par la communauté Ethereum, avec des solutions de scalabilité développées au cours des dernières années. En raison de leur pertinence pour l'industrie, nous avons effectué une autre comparaison de benchmark entre deux solutions prometteuses : l'extension Polygon PoS et la mise à jour PoS Merge d'Ethereum. Nous avons utilisé notre contrat intelligent VCG pour effectuer une comparaison entre Ethereum standard et les mises à jour de scalabilité. Cette comparaison révèle l'avantage des deux solutions, mais dans le cas de Polygon, met en lumière le fait que sa dépendance vis-à-vis des tarifs d'Ethereum reste une limitation. Bien que les problèmes de performance soient clairement considérés par la communauté comme essentiels à l'acceptation de la technologie blockchain, la transparence des blockchains publiques, bien qu'elle soit ce qui rend la technologie sécurisée, présente un autre handicap important pour l'exécution de programmes qui s'attendent à un certain niveau de confidentialité, comme VCG. Dans le dernier chapitre de cette thèse, nous analysons les effets de ce manque de confidentialité sur l'écosystème VCG. Nous explorons certaines propositions de l'industrie en matière de confidentialité, présentons trois nouvelles variantes de proof-of-concept de VCG pour la recherche, qui augmentent la confidentialité de ce type de contrats VCG et analysons leurs effets sur la confidentialité du processus d'enchères ainsi que leurs impacts en termes d'efficacité et de coûts pour les participants.

Résumé de la thèse en anglais

The use of auctions for the allocation of sponsored search results on the Internet has brought auctions to the foreground of e-commerce. For instance, for each Google query submitted on the Internet, there are associated sponsored links displayed to the user, automatically sold by auctions, resulting in billions of auctions happening online everyday. The sale of sponsored links alone is responsible for the movement of hundreds of billions of dollars per year. Presently, the vast majority of auctions take place in centralized services, which requires participants to relinquish control to the auctioneer, leaving them at the mercy of the system, with no choice other than to trust the service, hoping that the process is efficient and honest, i.e., that it makes good use of computer resources and won't disclose private information. In this thesis, we study whether blockchain technologies, designed for providing trusted environments for the execution of programs (smart contracts), provide an efficient and secure environment for auctions. To make this analysis more concrete, we selected a “truthful” auction, known as Vickrey–Clarke–Groves for sponsored search (VCG for search), as the basis to assess the impacts of such environments on the auction process. The first step for our research is the formalization of VCG algorithms, also called “mechanisms”; we give the specifications of the general VCG mechanism and of its VCG for search variant using the proof assistant Coq, together with the proofs of some of their key properties. Following up on this sound basis for the definition of auctions, we describe our rationale for the reasoned choice of a sample of blockchain systems to be used as the basis for experimental research. We restricted our systematic and scientifically grounded study of blockchain systems to Ethereum and Tezos, Ethereum being the industry standard for smart contracts development and Tezos, a newer system that intends to tackle some of Ethereum's performance issues by selecting a more efficient consensus mechanism, proof-of-stake (PoS), instead of the proof-of-work approach used in Ethereum. Our performance-comparison methodology focuses on the experimental evaluation of both system in terms of programmability, performance and cost. Our tests indicate that, at the time of study, Ethereum surpassed Tezos in terms of programmability and community support, which led us to select it as the blockchain of choice to base the rest of our research upon. In addition, our benchmarking provides numerical evidence for the existence of significant scalability limitations for Ethereum and its consensus algorithm; such shortcomings were also noted by the Ethereum community, with scalability solutions being developed in the recent years. Due to their relevancy for the industry, we perform another benchmark comparison between two promising solutions: Polygon PoS and Ethereum's PoS Merge update. We used our VCG for search smart contract to perform a comparison between standard Ethereum and the scalability updates. This comparison reveals the advantage of both upgrades, but in the case of Polygon, put to light the fact that its dependency on Ethereum's pricing remains a limitation. Even though performance issues are clearly seen by the community as key to the acceptance of the blockchain technology, the transparency of public blockchains, though it is what ultimately makes the technology secure, presents another severe handicap for the execution of programs that expect a certain level of privacy, such as VCG for search. In the final chapter of this thesis, we analyse the effects of this lack of privacy on the VCG for search ecosystem. We explore some of the industry proposals for privacy, present three new proof-of-concepts variants of VCG for search that increase the privacy of this type of contracts and analyse their effects on the privacy of the auction process as well as their efficiency and monetary impacts on the participants.

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