Optimizarea stocării și interogării datelor off-chain în aplicații Web3

Abstract

Lucrarea de față analizează impactul stocării și interogării datelor off-chain asupra performanței aplicațiilor Web3, în contextul limitărilor impuse de utilizarea blockchain-ului ca mediu principal de execuție și stocare. Odată cu tranziția de la Web2 la Web3, arhitectura aplicațiilor software a cunoscut modificări semnificative, în special în ceea ce privește modul de gestionare a datelor, securitatea și modelul de încredere. Blockchain-ul oferă transparență, imutabilitate și descentralizare, însă costurile ridicate de stocare și latențele operaționale fac imposibilă utilizarea sa eficientă pentru volume mari de date. În acest context, soluțiile de stocare off-chain devin esențiale pentru dezvoltarea aplicațiilor Web3 performante și scalabile. Lucrarea se concentrează asupra analizei comparative dintre bazele de date relaționale (SQL) și cele non-relaționale (NoSQL), utilizate ca mecanisme off-chain pentru gestionarea datelor operaționale. Sunt prezentate principiile teoretice ale arhitecturii Web3, rolul contractelor inteligente și al blockchain-ului, precum și caracteristicile tehnice ale bazelor de date SQL și NoSQL în acest ecosistem. Partea practică a lucrării constă în proiectarea și implementarea unui prototip de aplicație Web3, realizat în limbajul Java, care utilizează două scenarii distincte de stocare a datelor off-chain: unul bazat pe o bază de date relațională (PostgreSQL) și celălalt pe o bază de date non-relațională orientată pe documente (MongoDB). Datele sunt stocate în afara lanțului, iar pe blockchain este ancorată o amprentă criptografică (hash) asociată fiecărei înregistrări, cu scopul de a asigura integritatea informației. Evaluarea performanței se bazează pe măsurarea timpilor de inserare și de interogare a datelor pentru volume diferite, permițând o comparație directă între comportamentul soluțiilor SQL și NoSQL în contextul aplicațiilor Web3. Rezultatele experimentale evidențiază diferențe semnificative între cele două abordări. În condițiile prototipului implementat și ale scenariilor de testare aplicate, PostgreSQL a înregistrat timpi mai buni și o scalabilitate mai stabilă atât pentru inserări pe volume medii și mari, cât și pentru operații de citire (paginare, filtrare și lookup). MongoDB rămâne relevant prin flexibilitatea modelului document și adaptarea rapidă la structuri dinamice, însă în experimentele realizate a prezentat o degradare mai accentuată a performanței odată cu creșterea volumului de date. Concluziile subliniază că alegerea soluției off-chain trebuie făcută în funcție de workload-ul real al aplicației Web3, iar arhitecturile hibride pot fi utilizate atunci când este necesară combinarea flexibilității cu performanța și consistența.

This thesis investigates the impact of off-chain data storage and querying on the performance of Web3 applications, considering the inherent limitations of blockchain as a primary execution and storage environment. With the transition from Web2 to Web3, application architectures have undergone significant changes, particularly in terms of data management, security, and trust models. While blockchain technology provides transparency, immutability, and decentralization, its high storage costs and operational latency make it unsuitable for handling large volumes of data efficiently. In this context, off-chain storage solutions play a crucial role in enabling scalable and high performance Web3 applications. The thesis focuses on a comparative analysis of relational (SQL) and non relational (NoSQL) databases used as off-chain data storage mechanisms. It presents the theoretical foundations of Web3 architecture, the role of smart contracts and blockchain, and the technical characteristics of SQL and NoSQL databases within decentralized systems. The practical component of the research involves the design and implementation of a Web3 application prototype developed in Java, employing two distinct off-chain storage scenarios: one based on a relational SQL database and the other on a NoSQL database. Data integrity is ensured by anchoring cryptographic hashes on the blockchain, allowing verification of off-chain data. The performance evaluation includes measurements of data storage time, query execution time, and validation latency, as well as an analysis of overall system responsiveness. Experimental results highlight notable differences between the two approaches. In the implemented prototype and measured workloads, PostgreSQL showed more stable scalability and lower execution times for both bulk inserts (medium to large datasets) and read/query scenarios (pagination, filtering, lookups, and batch exports). MongoDB remained valuable primarily due to schema flexibility and document oriented modeling, but it exhibited a stronger performance degradation as data volume increased. The conclusions emphasize that off-chain storage selection in Web3 should be driven by measured workload characteristics, and that hybrid architectures may offer an optimal balance between performance, security, and flexibility.