Fragmentation, Réplication de données, Mécanismes de consensus distribués, Bases de données distribuées, Sharding, Calcul distribué, Tolérance aux pannes byzantine, Cryptographie

Cette thèse de doctorat se compose de 6 chapitres. Dans le premier chapitre, en guise d'introduction, nous donnons un aperçu des objectifs généraux et des motivations des réseaux décentralisés et permissionless, ainsi que des obstacles auxquels ils sont confrontés. Dans l'introduction, nous évoquons également la solution irrationnelle et illogique, connue sous le nom de « blockchain permissioned », qui a été proposée pour améliorer les performances des réseaux similaires à Bitcoin. Cette question a été détaillée au chapitre 5. Dans le chapitre 2, nous rendons clairs et intelligibles les systèmes que l'idée proposée, « Parallel Committees », est basée sur de tels réseaux. Nous détaillons les fonctionnalités indispensables et les défis essentiels des systèmes de réplication. Ensuite, dans le chapitre 3, nous discutons des limitations de scalabilité et du faible débit des systèmes de réplication qui utilisent des mécanismes de consensus pour traiter les transactions et comment ces problèmes peuvent être améliorés en utilisant des techniques de sharding. Nous décrivons les défis les plus importants dans le sharding des systèmes de réplication distribuée, une approche qui a déjà été mise en œuvre dans plusieurs systèmes de réplication basés sur la blockchain et, bien qu'elle ait montré un potentiel significatif pour améliorer les performances et la scalabilité, les techniques de sharding actuelles ont encore des limitations de scalabilité et des défis de sécurité. Nous expliquons pourquoi la plupart des protocoles de sharding actuels utilisent une approche d'allocation aléatoire pour distribuer les nœuds entre les shards pour des raisons de sécurité. Nous décrivons également comment traiter une transaction dans un système de réplication partitionné basé sur les protocoles de sharding actuels. Nous expliquons comment un « shared-ledger » partagé sur les shards impose des limitations de scalabilité et des défis de sécurité au réseau, et expliquons pourquoi les transactions « cross-shards » ou « inter-shards » sont indésirables et plus coûteuses en raison des problèmes qu'elles causent, y compris « atomicity failure » et les défis de « state transition », ainsi qu'une passe en revue des solutions proposées. Nous passons également en revue certains des travaux récents les plus remarquables qui utilisent des techniques de sharding pour les systèmes de réplication. Cette partie de l'ouvrage a été publiée sous la forme d'un chapitre de livre (peer-reviewed) in « Building Cybersecurity Applications with Blockchain Technology and Smart Contracts » (Springer, 2023). Dans le chapitre 4, nous proposons une nouvelle technique de sharding, « Parallel Committees », prenant en charge à la fois le « processing-sharding » et le « storage/state sharding », pour améliorer la scalabilité et les performances des systèmes de réplication distribués qui utilisent des mécanismes de consensus pour traiter les demandes des clients (client requests). Nous introduisons une approche innovante et originale pour répartir les nœuds entre les shards à l'aide d'un processus de génération de clé publique qui atténue simultanément l'attaque Sybil et sert de mécanisme de preuve de travail (proof-of-work). Notre approche réduit efficacement les transactions « inter-shards » indésirables, qui sont plus complexes et coûteuses à traiter que les transactions « intra-shards ». L'idée proposée a été publiée dans la conférence IEEE BCCA 2023. Nous expliquons ensuite pourquoi nous n'utilisons pas la structure de la blockchain dans l'idée proposée, un sujet abordé en détail au chapitre 5. Cette explication et clarification a été publiée dans le Journal of Software (JSW), Volume 16, Number 3, May 2021. Et dans le dernier chapitre de cette thèse, le chapitre 6, nous résumons les points importants et les conclusions de cette recherche.