Applications
Understand the Blockchain Ecosystem
and How to Make it Work for You
—
Vikram Dhillon
David Metcalf
Max Hooper
Blockchain Enabled
Applications
Understand the Blockchain Ecosystem and
How to Make it Work for You
Vikram Dhillon
David Metcalf
Max Hooper
Blockchain Enabled Applications
Vikram
Dhillon
David
Metcalf
Orlando, Florida, USA
Orlando, Florida, USA
Max
Hooper
Orlando, Florida, USA
ISBN-13 (pbk): 978-1-48423080-0
ISBN-13 (electronic): 978-1-4842-3081-7
https://doi.org/10.1007/978-1-4842-3081-7
Library of Congress Control Number: 2017960811
Copyright © 2017 by Vikram Dhillon, David Metcalf, and Max Hooper
This work is subject to copyright. All rights are reserved by the Publisher, whether the whole or part of the material is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of illustrations, recitation, broadcasting, reproduction on microfilms or in any other physical way, and transmission or information storage and retrieval, electronic adaptation, computer software, or by similar or dissimilar methodology now known or hereafter developed.
Trademarked names, logos, and images may appear in this book. Rather than use a trademark symbol with every occurrence of a trademarked name, logo, or image we use the names, logos, and images only in an editorial fashion and to the benefit of the trademark owner, with no intention of infringement of the trademark.
The use in this publication of trade names, trademarks, service marks, and similar terms, even if they are not identified as such, is not to be taken as an expression of opinion as to whether or not they are subject to proprietary rights.
While the advice and information in this book are believed to be true and accurate at the date of publication, neither the authors nor the editors nor the publisher can accept any legal responsibility for any errors or omissions that may be made. The publisher makes no warranty, express or implied, with respect to the material contained herein.
Cover image designed by Freepik
Managing Director: Welmoed Spahr
Editorial Director: Todd Green
Acquisitions Editor: Louise Corrigan
Development Editor: James Markham
Technical Reviewer: Zeeshan Chawdhary
Coordinating Editor: Nancy Chen
Copy Editor: Teresa Horton
Compositor: SPi Global
Indexer: SPi Global
Artist: SPi Global
Distributed to the book trade worldwide by Springer Science+Business Media New York, 233 Spring Street, 6th Floor, New York, NY 10013. Phone 1-800-SPRINGER, fax (201) 348-4505, e-mail
orders-ny@springer-sbm.com, or visit www.springeronline.com. Apress Media, LLC is a California LLC
and the sole member (owner) is Springer Science + Business Media Finance Inc (SSBM Finance Inc).
SSBM Finance Inc is a Delaware corporation.
For information on translations, please e-mail rights@apress.com, or visit http://www.apress.com/
rights-permissions.
Apress titles may be purchased in bulk for academic, corporate, or promotional use. eBook versions and licenses are also available for most titles. For more information, reference our Print and eBook Bulk Sales web page at http://www.apress.com/bulk-sales.
Any source code or other supplementary material referenced by the author in this book is available to readers on GitHub via the book’s product page, located at www.apress.com/9781484230800. For more detailed information, please visit http://www.apress.com/source-code.
Printed on acid-free paper
Vikram Dhillon would like to dedicate this work to Aaron Hillel Swartz and his legacy.
David Metcalf would like to thank Katy, Adam and Andrew for their patience during the extended hours and effort while putting the book together and colleagues and students at UCF and through the NSF I-Corps program that identified the power of Bitcoin and Blockchain technology years ago and shared their knowledge and future strategies that inspired us to pursue this area of research early. Thank you to my coauthors and our outside collaborators and contributors, and of course to God for the wisdom, ability and grit to bring this effort to life.
Max Hooper would like to thank his coauthors and colleagues at UCF/METIL Lab, along with special thanks to Mindy Hooper for her help and support. Additionally, for God's inspiration, guidance, direction and wisdom, I would like to acknowledge His leadership.
Contents
About the Authors ���������������������������������������������������������������������������������������������������� xi
About the Technical Reviewer ������������������������������������������������������������������������������� xiii
Acknowledgments ���������������������������������������������������������������������������������������������������xv
Introduction �����������������������������������������������������������������������������������������������������������xvii
■Chapter 1: Behold the Dreamers ��������������������������������������������������������������������������� 1
Paradigm Shift ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 1
Cypherpunk Community ��������������������������������������������������������������������������������������������������� 3
Summary �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 5
■Chapter 2: The Gold Rush: Mining Bitcoin ������������������������������������������������������������� 7
Reaching Consensus �������������������������������������������������������������������������������������������������������� 7
Mining Hardware ������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 12
Startup Stories ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 13
New Consensus ������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 14
Summary ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 14
References ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 14
■Chapter 3: Foundations of Blockchain ����������������������������������������������������������������� 15
Transaction Workflow ����������������������������������������������������������������������������������������������������� 15
Simple Payment Verification ������������������������������������������������������������������������������������������ 21
Blockchain Forks ������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 23
Summary ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 24
References ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 24
v
■ Contents
■Chapter 4: Unpacking Ethereum �������������������������������������������������������������������������� 25
Overview of Ethereum ���������������������������������������������������������������������������������������������������� 25
Accounts in Ethereum �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 27
State, Storage, and Gas������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 30
Ethereum Virtual Machine ���������������������������������������������������������������������������������������������� 33
Solidity Programming Language ���������������������������������������������������������������������������������������������������������� 36
World Computer ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 38
Blockchain-as-a-Service ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 41
Decentralized Applications ��������������������������������������������������������������������������������������������� 42
Geth and Mist ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 44
Summary ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 44
References ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 45
■Chapter 5: Decentralized Organizations �������������������������������������������������������������� 47
Aragon Kernel ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 48
Identity Management ����������������������������������������������������������������������������������������������������� 49
DAO/Company Walkthrough ������������������������������������������������������������������������������������������� 50
Setting Up a DAO ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 50
Issuing Shares �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 54
Fundraising and Bylaws ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 63
Summary ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 66
References ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 66
■Chapter 6: The DAO Hacked ��������������������������������������������������������������������������������� 67
Introduction �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 67
The Team ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 69
The DAO �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 70
The ICO Highlights ���������������������������������������������������������������������������������������������������������� 72
The Hack ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 72
The Debate ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 75
The Split: ETH and ETC ��������������������������������������������������������������������������������������������������� 76
vi
■ Contents
The Future ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 77
Summary ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 78
■Chapter 7: Ethereum Tokens: High-Performance Computing ������������������������������ 79
Tokens and Value Creation ��������������������������������������������������������������������������������������������� 79
Ethereum Computational Market ����������������������������������������������������������������������������������� 83
Golem Network ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 89
Application Registry������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 90
Transaction Framework ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 91
Supercomputing Organized by Network Mining ������������������������������������������������������������� 96
Buyer–Hub–Miner Interactions ����������������������������������������������������������������������������������������������������������� 101
Superglobal Operation System for Network Architecture ������������������������������������������������������������������� 104
iEx�ec ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 106
Summary ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 109
References ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 109
■Chapter 8: Blockchain in Science ���������������������������������������������������������������������� 111
Reproducibility Crisis ��������������������������������������������������������������������������������������������������� 111
Clinical Trials ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 115
Reputation System ������������������������������������������������������������������������������������������������������� 119
Pharmaceutical Drug Tracking ������������������������������������������������������������������������������������� 122
Prediction Markets and Augar ������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 123
Summary ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 124
■Chapter 9: Blockchain in Health Care ���������������������������������������������������������������� 125
Payer–Providers–Patient Model ����������������������������������������������������������������������������������� 125
Workflow ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 127
Hot Switching ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 131
Waste Management: Capital One, Ark Invest, and Gem ������������������������������������������������ 131
Verifiable Data Audit ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 134
Summary ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 137
References ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 137
vii
■ Contents
■Chapter 10: The Hyperledger Project ���������������������������������������������������������������� 139
Current Status �������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 139
Governance ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 140
Fabric and Sawtooth��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 141
Decision Models: Do You Need a Blockchain? �������������������������������������������������������������� 144
Rapid Prototyping with Hyperledger Composer ����������������������������������������������������������� 147
Summary ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 149
■Chapter 11: Recent Developments in Blockchain ���������������������������������������������� 151
EOS Blockchain ������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 151
Delegated Proof-of-Stake ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 154
Parallel Execution ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 157
Scheduling ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 159
Chain Core �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 160
Ethereum Enterprise Alliance ��������������������������������������������������������������������������������������� 175
zk-SNARKs ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 177
Review of Quorum ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 177
Ethereum Enterprise Roadmap ����������������������������������������������������������������������������������������������������������� 180
Summary ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 181
References ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 181
■Chapter 12: Technological Revolutions and Financial Capital ��������������������������� 183
State of the Blockchain Industry ���������������������������������������������������������������������������������� 184
Blockchain Solution ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 184
Venture Capital and ICOs ��������������������������������������������������������������������������������������������� 185
Initial Coin Offerings ����������������������������������������������������������������������������������������������������� 185
Digital Currency Exchanges ������������������������������������������������������������������������������������������ 189
Status of ICO Regulation����������������������������������������������������������������������������������������������� 189
Pros and Cons of ICO Investments ������������������������������������������������������������������������������������������������������ 190
Regulation Technology: RegChain �������������������������������������������������������������������������������� 192
viii
■ Contents
New Blockchain Companies and Ideas ������������������������������������������������������������������������ 194
Homechain and SALT �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 194
Ambrosus, Numerai, and SWARM ������������������������������������������������������������������������������������������������������� 194
Democratizing Investment Opportunities ��������������������������������������������������������������������� 195
Summary ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 196
■Appendix A: Building a Health Care Consortium ������������������������������������������������ 197
■Appendix B: References ������������������������������������������������������������������������������������� 207
■Index ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 213
ix

About the Authors
Vikram Dhillon is a research fellow in the Institute of Simulation and Training at the University of Central Florida where he studies the integration of emerging technologies into existing infrastructure. The focus of his recent work has been on decentralized ledger technologies. He holds a Bachelor of Science degree in Molecular Biology from the University of Central Florida, where his focus was bioinformatics. Currently, he is a DO-MBA candidate at the College of Medicine, Nova Southeastern University. He is the author of several scientific papers in computational genomics and two books, the most recent one on blockchain enabled applications. He has also written in-depth articles for the Bitcoin Magazine and letters for the New York Times. He was previously funded by the National Science Foundation through the Innovation Corps program to study customer discovery and apply it to commercialize high-risk startup ideas. He is a member of the Linux Foundation and has been active in open source projects and initiatives for the past several years. He often speaks at local conferences and meetups about programming, design, security, and entrepreneurship.
He currently lives in Fort Lauderdale, Florida, and writes a technology-focused blog at opsbug.com.
David Metcalf has more than 20 years of experience in the design and
research of Web-based and mobile technologies converging to enable
learning and health care. Dr. Metcalf is Director of the Mixed Emerging
Technology Integration Lab (METIL) at UCF’s Institute for Simulation
and Training. The team has built mHealth solutions, simulations,
games, eLearning, mobile and enterprise IT systems for Google, J&J, the
Veterans Administration, U.S. military, and the UCF College of Medicine
among others. Recent projects include Lake Nona’s Intelligent Home
prototype and SignificantTechnology, a mobile-enabled online degree
and eResource kit. Dr. Metcalf encourages spin-offs from the lab as
part of the innovation process and has launched Moving Knowledge
and several other for-profit and nonprofit ventures as examples. In
addition to research and commercial investments, he supports social
entrepreneurship in education and health. Dr. Metcalf continues to bridge the gap between corporate learning and simulation techniques and nonprofit and social entrepreneurship. Simulation, mobilization, mobile patient records and medical decision support systems, visualization systems, scalability models, secure mobile data communications, gaming, innovation management, and operational excellence are his current research topics. Dr. Metcalf frequently presents at industry and research events shaping business strategy and use of technology to improve learning, health, and human performance. He is the coeditor and author of Connected Health (2017), HIMSS mHealth Innovation (2014) and the HIMSS Books bestseller mHealth: From Smartphones to Smart Systems (2012).
xi

■ About the Authors
Max Hooper is the chief executive officer of Merging Traffic. He is
responsible for the company’s management and growth strategy,
serving as the corporate liaison to the financial services industry and
various capital formation groups. Prior to starting the company, he was
cofounder of Equity Broadcasting Corporation (EBC), a media company
that owned and operated more than 100 television stations across the
United States. He was responsible for activities in the cable, satellite,
investment banking, and technology industries and during his tenure it
grew to become one of the top 10 largest broadcasting companies in the
country. A lifelong learner, Hooper has earned five doctorate degrees:
PhD, DMin, PhD, ThD, and DMin from a variety of institutions. As an avid
runner, he has completed more than 100 marathons and an additional 20
ultra-marathons, which are 50-or 100-mile runs. He has completed the
Grand Slam of Ultra Running. Hooper is committed to his family and is a
husband, father to five children, and grandfather to seven grandsons. He is active in many organizations and serves on various boards of directors. He works globally with several ministries and nonprofit aid groups, and was honored to speak at the United Nations in New York in 2015.
xii
About the Technical Reviewer
Zeeshan Chawdhary is an avid technologist, with 13 years of experience in the industry. Having started his career in mobile development with J2ME in 2005, he ventured into Web development in 2006, and has extensive experience in building robust and scalable Web applications.
He has led teams to build Web and mobile apps for companies like Nokia, Motorola, Mercedes, GM, American Airlines, and Marriott while serving as chief technology officer for a San Francisco–based firm.
He is based in Mumbai, India, and has also dabbled with a few startups in India, leading teams in building a Houzz+Etsy model and car rental platform, in addition to authoring a few books on iOS, Windows Phone, and iBooks.
He currently works with an international team as director of development, serving clients with technologies like Magento, Wordpress, WooCommerce, Laravel, ReactJS, and .Net.
He can be reached at imzeeshanc@gmail.com or on Twitter at @imzeeshan.
xiii
Acknowledgments
The authors would like to acknowledge our editors Nancy Chen and Louise Corrigan for their help and guidance. The figures throughout this book were made with the help of Lucidchart. All figures from external sources were used with permission.
xv
Introduction
Blockchain technology is poised to fundamentally change our online world. This is not some kind of miraculous, cure-all, money-making solution. One specific use of blockchain such as Bitcoin, but rather the fundamental shift for the offline world ushered in by the web with easy to use access to information and the ability to make digital copies of data or content in an unprecedented ease for distribution across the globe.
Hence the name, the World Wide Web. That interconnectivity has suffered fundamental problems when it comes to transactions - TRUST.
The fundamental shift that blockchain technology represents is a method for moving away from an attempt to have a central trusted authority in a massively distributed network. But instead to have multiple sources of trust that must all agree, based on an algorithm that this transaction can be trusted as valid.
Furthermore, most blockchain solutions offer an immutable and enduring record of a transaction as it is hard for any trusted or untrusted source to change or modify. This presents a completely new level of security, privacy, and TRUST to our online world. As you will see throughout this book, a variety of uses, protocols, and standards make up the current blockchain ecosystem.
We also strive to strike the perfect balance between being a technical reference and a how-to handbook that shows practical examples of both current and future state use cases. While not comprehensive, we do select for several high promise areas where blockchain technology is beginning to enable applications for an entirely new industry segment. We hope this book will inform you and provides a roadmap to your success leveraging blockchain technology to enable new applications for your business.
Throughout the book, you will see many examples of applications to reinforce key points. Early examples extend beyond financial transactions to cover other aspects of FinTech, RegTech (regulation), InsuranceTech, GovTech (eVoting, licensing, records and certification), HealthTech, and many others.
In order to understand these early examples, it is necessary to explore the Blockchain history; fundamentals of distributed trust; consensus; hardware, software and encryption in the early chapters.
Next, you’ll learn about the network transactions and simplified payments in Blockchain fundamentals.
We’ll compare this with the extended capabilities if Ethereum and specific characteristics like how gas works and distributed apps along with examples of Blockchain as a Service. To further extend these capabilities, two chapters are devoted to DAO/Decentralized Organizations and the details and examples in these areas. In Chapter 7, Ethereum Tokens are highlighted for value creation with various technology and business sector examples that highlight the power of Smart Contracts to allow multiple sources of value and rules to be embedded in the transactions directly. The next three chapters- 8, 9 and 10 segment examples into Blockchain in Science, Blockchain in Healthcare, and details on the structure of the Hyperledger Project, respectively. The final two chapters, 11 and 12 explore many recent developments and future trends, particularly in ICOs and the effect on financial markets and processes. Don’t miss the late-breaking Appendix with a detailed interview with the Hashed Health leadership team and their insights on Blockchain in Healthcare. We hope you find the information in this book useful as well as enjoyable as you explore The fundamentals, current best practices and future potential of Blockchain Enabled Applications. We welcome your feedback at info@metil.org.
xvii
CHAPTER 1