Abstract

Traditional service markets enable the efficient trading of a variety of services through a centralized platform, acting as an intermediary between service providers and customers. However, this centralization raises concerns about power abuse, corruption, and scalability. Decentralization of service markets addresses these issues by directly exchanging data between service providers, but it introduces trust challenges to distributed data sharing. This study explores the use of blockchain technology to establish trust and security in decentralized service markets, managing trade-offs between decentralization, scalability, and security. Focusing on applications in transportation, such as Mobility-as-a-Service (MaaS), Unmanned Aerial Vehicles (UAV), and autonomous vehicles, this work investigates the potential of blockchain-based service markets to facilitate collaboration in various sectors.

The dissertation studies the core components of distributed ledger technologies: system design, deployment, and confidentiality. This work proposes a blockchain-based MaaS system design for the service market and discusses the potential usage of blockchain, along with associated challenges in distributed data sharing. Additionally, confidentiality in blockchain-based interactive systems is examined through zero-knowledge argument schemes, with a comparison of their advantages and dis-advantages. The performance regarding decentralized autonomous operation based on blockchain technology is considered via various updating capacities. The deployment of a blockchain-based service market is analyzed using two types of blockchain platforms—permissioned and permissionless—to represent access requirements. A performance comparison and proposed technique framework for blockchain platform selection are also provided.

Tiivistelmä

Perinteiset palvelumarkkinat toimivat keskitetyn alustan varassa. Tällainen alusta toimii linkkinä palveluntarjoajien ja asiakkaiden välillä ja välittää palveluita tehokkaasti. Keskittäminen ei kuitenkaan ole ongelmatonta erityisesti vallan väärinkäytön, korruption ja skaalautuvuusongelmien vuoksi. Palvelumarkkinoiden hajauttaminen tarjoaa ratkaisun näihin huolenaiheisiin mahdollistamalla suoran tiedonvaihdon palveluntarjoajien välillä. Toisaalta se tuo kuitenkin mukanaan haasteita luottamuksellisen datan hajautetussa jakamisessa.

Tämä tutkimus keskittyy lohkoketjuteknologian käyttöön luottamuksen ja turvallisuuden luomiseksi hajautetuille palvelumarkkinoille. Tutkimus keskittyy hajauttamisen, skaalautuvuuden ja turvallisuuden tasapainottamiseen liittyviin kompromisseihin, ja tutkii erityisesti lohkoketjupohjaisten palvelumarkkinoiden soveltamista älyliikenteen palveluihin kuten liikkuvuuteen palveluna (MaaS), miehittämättömiin lennokkeihin (UAV) ja autonomisiin ajoneuvoihin, sekä niiden potentiaaliin edistää yhteistyötä eri sektoreilla.

Väitöskirjassa keskitytään hajautetun tilikirjateknologian keskeisiin osa-alueisiin, kuten järjestelmän suunnitteluun, käyttöönottoon ja luottamuksellisuuteen. Työ esittelee lohkoketjupohjaisen MaaS-järjestelmän palvelumarkkinan suunnitelman ja käsittelee lohkoketjun mahdollisia käyttötapoja ja siihen liittyviä haasteita hajautetussa datan jakelussa. Lisäksi tutkimuksessa arvioidaan lohkoketjupohjaisten interaktiivisten järjestelmien luottamuksellisuutta nollatiedon argumenttien (zero-knowledge arguments) avulla, vertaillen niiden etuja ja haittoja. Hajautetun autonomisen toiminnan suorituskykyä tarkastellaan lohkoketjuteknologian perusteella erilaisten päivityskapasiteettien näkökulmasta. Tutkimuksessa analysoidaan myös lohkoketjupohjaisen palvelumarkkinan käyttöönottoa ja vertaillaan kahta eri lohkoketjualustaa—luvanvaraista ja luvatonta—, jotka edustavat erilaisia pääsynvaatimuksia (access requirements). Lisäksi vertaillaan lohkoketjualustojen suorituskykyä ja esitellään tekniikkakehystä alustan valintaan.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Nguyen, T. H., Partala, J., & Pirttikangas, S. (2019). Blockchain-based mobility-as-a-service. In 2019 28th International Conference on Computer Communication and Networks (ICCCN), 1–6. https://doi.org/10.1109/ICCCN.2019.8847027

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Nguyen, T., Tran, N., Loven, L., Partala, J., Kechadi, M.-T., & Pirttikangas, S. (2020). Privacy-aware blockchain innovation for 6g: Challenges and opportunities. In 2020 2nd 6G Wireless Summit (6G SUMMIT), 1–5. https://doi.org/10.1109/6GSUMMIT49458.2020.9083832

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Partala, J., Nguyen, T. H., & Pirttikangas, S. (2020). Non-interactive zero-knowledge for blockchain: A survey. IEEE Access, 8, 227945–227961. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3046025

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Nguyen, H., Nguyen, T., Leppänen, T., Partala, J., & Pirttikangas, S. (2022). Situation awareness for autonomous vehicles using blockchain-based service cooperation. In International Conference on Advanced Information Systems Engineering, ss. 501–516. https://doi.org/10.1007/978-3-031-07472-1_29

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

5. Nguyen, T., Katila, R., & Gia, T. N. (2023). An advanced Internet-of-Drones System with Blockchain for improving quality of service of Search and Rescue: A feasibility study. Future Generation Computer Systems, 140, 36–52. https://doi.org/10.1016/j.future.2022.10.002

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

6. Nguyen, T., Nguyen, H., Partala, J., & Pirttikangas, S. (2023). TrustedMaaS: Transforming trust and transparency Mobility-as-a-Service with blockchain. Future Generation Computer Systems, 149, 606–621. https://doi.org/10.1016/j.future.2023.08.011

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version