Докази з нульовим знанням (ZKP). Що це?

Докази з нульовим знанням (ZKP) є ключовою інновацією в галузі криптографії, пропонуючи надійні рішення конфіденційності в прозорих системах, таких як загальнодоступні блокчейн-мережі. Ці криптографічні методи дозволяють одній стороні довести достовірність твердження іншій без розкриття будь-якої додаткової інформації, окрім істинності самого твердження. Ця можливість не тільки підвищує конфіденційність, але й захищає конфіденційні дані від несанкціонованого доступу та маніпуляцій.

Вперше представлені в новаторській статті 1985 року під назвою «Складність знань інтерактивних систем доказів», докази з нульовим знанням зазнали значної еволюції, щоб адаптуватися до складності сучасних цифрових транзакцій. У блокчейн-додатках ZKP дозволяють виконувати смарт-контракти та інші транзакції без розкриття базових власних даних, задовольняючи як ділові, так і юридичні вимоги щодо конфіденційності.

Реалізація доказів із нульовим знанням відповідає критичним критеріям — повнота, обґрунтованість і відсутність знань — які забезпечують точність і безпеку криптографічних доказів без шкоди для конфіденційності залучених даних. Оскільки ці технології продовжують розвиватися, вони розширюють можливості для захисту конфіденційності в цифровій сфері, роблячи їх важливим елементом безпечної та приватної цифрової взаємодії та наріжним каменем сучасних криптографічних програм.

Що таке доказ нульового знання?

Докази з нульовим знанням (ZKPs) — це криптографічний метод, який дозволяє підтверджувати знання про дані, не розкриваючи самих даних. Ця техніка стала рішенням для забезпечення конфіденційності в загальнодоступних мережах блокчейнів, де певну інформацію потрібно приховати з комерційних чи юридичних причин, наприклад використання конфіденційних даних для ініціювання виконання смарт-контракту.

Вперше опублікований у статті 1985 року під назвою «Складність знань інтерактивних систем доказів», докази з нульовим знанням значно вдосконалилися. У сучасних блокчейн-додатках ZKP дають можливість одній стороні (доказу) переконати іншу (верифікатор) у істинності твердження, не розкриваючи жодної додаткової інформації, окрім факту правдивості твердження.

Надійний доказ нульового знання має відповідати трьом основним критеріям:

Повнота: верифікатор, швидше за все, прийме доказ, якщо пропозиція є вірною і обидві сторони дотримуються протоколу.
Обґрунтованість: якщо твердження є хибним, жоден доказувач не зможе переконати верифікатор у зворотному, за винятком дуже малоймовірних обставин.
Нульове знання: навіть після взаємодії з довідником верифікатор дізнається лише правдивість твердження і нічого більше про секрет.

На практиці такі технології, як DECO від Chainlink, використовують ZKP для створення мереж оракулів із збереженням конфіденційності, які можуть підтверджувати дані, отримані з певного веб-сервера, не розкриваючи вміст цих даних. Це дозволяє ширше інтегрувати конфіденційність у блокчейн-проекти, розширюючи їхні можливості та підвищуючи довіру користувачів до цих систем.

ZKP вже знайшли застосування в різних сценаріях реального світу та продовжують розвиватися, пропонуючи нові можливості для захисту конфіденційності в цифровому світі.

Типи доказів із нульовим знанням

Докази з нульовим знанням (ZKPs) охоплюють різноманітні криптографічні протоколи, призначені для забезпечення конфіденційності та безпеки шляхом підтвердження дійсності твердження без розкриття будь-якої додаткової інформації. Кожен тип ZKP має власний набір характеристик і призначень для задоволення різних потреб у сфері цифрових транзакцій і за її межами.

Інтерактивні та неінтерактивні докази з нульовим знанням
Інтерактивні ZKP передбачають низку комунікацій між перевіряючим і верифікаційним, вимагаючи кількох обмінів для встановлення дійсності доказу. Навпаки, неінтерактивні докази з нульовим знанням (NIZKPs) спрощують цей процес в один крок, пропонуючи компактний доказ, який спрощує перевірку, підвищуючи ефективність і взаємодію з користувачем.

Спеціалізовані докази з нульовим знанням

Статистичні ZKP забезпечують обчислювальну надійність лише з незначною ймовірністю помилки, що робить їх придатними для середовищ, де високий рівень безпеки є найважливішим.
Підтвердження знань (PoK) — це підмножина ZKP, спрямована на підтвердження володіння певними знаннями, пов’язаними з заявою, що перевіряється.
Докази перемішування та діапазону мають вирішальне значення в таких сценаріях, як електронне голосування та транзакції із збереженням конфіденційності, що забезпечує цілісність і конфіденційність.
Протоколи Sigma та Bulletproofs є іншими відомими типами, причому протоколи Sigma включають триетапний процес (зобов’язання, виклик і відповідь), а Bulletproofs пропонують ефективні докази дальності без довіреного налаштування.

Розширені системи захисту від нульового знання: ZK-SNARKs і ZK-STARKs

ZK-SNARK (короткий неінтерактивний аргумент знань із нульовим знанням) відомий своєю лаконічністю, що дозволяє швидко перевіряти з мінімальною взаємодією. Вони покладаються на криптографію еліптичної кривої та вимагають надійного налаштування, що включає багатостороннє обчислення (MPC) для безпечного створення публічних параметрів. Таке налаштування гарантує, що поки один учасник діє чесно, протокол залишається надійним.
ZK-STARK (масштабований прозорий аргумент з нульовим знанням) усуває деякі обмеження SNARK, усуваючи потребу в довіреній установці, використовуючи натомість випадковість, яку можна перевірити публічно. STARK є більш масштабованими та прозорими, що робить їх кращими у сценаріях, що включають великі набори даних, хоча вони, як правило, створюють більші докази та мають вищі накладні витрати на перевірку.

Нові технології та впровадження

PLONK представляє нове покоління ZKP, що використовує універсальну надійну установку, яка може вмістити будь-яку програму та велику кількість учасників. Особливо варто відзначити його гнучкість і широку сферу застосування.
Проекти з нульовим знанням, такі як StarkNet , zkSync і Loopring, використовують ці технології для покращення можливостей блокчейну, пропонуючи рішення, які покращують швидкість транзакцій, зменшують витрати та підвищують конфіденційність.

Ці різноманітні типи ZKP підкреслюють величезний потенціал криптографічних доказів у підвищенні цифрової конфіденційності та безпеки. Оскільки ці технології розвиваються, вони продовжують розширювати межі того, що можливо в безпечній та приватній цифровій взаємодії, роблячи їх невід’ємними компонентами сучасних криптографічних програм і технології блокчейн.

Як працюють докази з нульовим знанням

Докази з нульовим знанням (ZKPs) — це захоплююча криптографічна концепція, яка дозволяє одній стороні, доводнику, продемонструвати правдивість твердження іншій стороні, верифікатору, не розкриваючи жодної інформації, окрім дійсності самого твердження. Це робиться за допомогою серії взаємодій або одного неінтерактивного кроку, залежно від типу застосованого ZKP.

Як працюють докази з нульовим знанням
Інтерактивні докази з нульовим знанням: ці докази передбачають кілька раундів спілкування між перевіряючим і перевіряючим. Класичним прикладом для ілюстрації цього процесу є «Проблема трьох кольорів» або «Проблема розфарбування графіка». Ось як це відбувається:

Налаштування: обидві сторони погоджуються щодо залученої структури (графа).
Зобов’язання: перевіряльник таємно вибирає кольори для кожної області графіка та зобов’язується до цих виборів криптографічно.
Завдання: верифікатор випадковим чином вибирає регіон і просить перевіряючого показати колір.
Відповідь: перевіряльник відкриває колір і повинен довести, що він правильно застосований відповідно до встановлених правил (наприклад, суміжні області не повинні мати однаковий колір).
Ітерація: раунди виклику та відповіді повторюються кілька разів з різними регіонами, щоб зміцнити довіру верифікатора до твердження прувера.

Верифікатор зрештою переконується в твердженні перевірника, якщо відповіді постійно дійсні, але нічого не дізнається про конкретні використані кольори, зберігаючи властивість нульового знання.

Неінтерактивні докази з нульовим знанням: на відміну від інтерактивного типу, неінтерактивні докази не вимагають зворотного зв’язку. Пристрій перевірки може створити єдиний доказ, який будь-хто може перевірити за допомогою того самого протоколу. Цей тип доказу особливо корисний для сценаріїв, коли докази потрібно перевіряти кілька разів різними сторонами.

Ключові характеристики доказів із нульовим знанням
Докази з нульовим знанням повинні задовольняти трьом основним властивостям:

Повнота: якщо твердження правдиве і обидві сторони дотримуються протоколу, доказ повинен завжди переконувати верифікатор.
Обґрунтованість: для нечесного доказувача повинно бути неможливо переконати верифікатора в хибному твердженні.
Нульова інформація: верифікатор не дізнається нічого, окрім істинності твердження, гарантуючи, що додаткова інформація не розкрита.

Практичні застосування та приклади
Докази з нульовим знанням — це не просто теоретичні побудови, а й практичне застосування в різних сферах, таких як криптографія, безпечний зв’язок і технологія блокчейн. Вони дозволяють здійснювати приватні транзакції, безпечні системи голосування тощо, де конфіденційність інформації має першорядне значення.

Добре відомим наративом для пояснення інтерактивних доказів із нульовим знанням є історія Жан-Жака Квісквотера «Печера Алі-Баби», де один персонаж доводить знання таємної фрази, щоб відкрити магічні двері, фактично не розкриваючи саму фразу.

Випадки використання з нульовим знанням

Підтвердження з нульовим знанням (ZKP) — це криптографічні протоколи, які підвищують конфіденційність і безпеку в різних програмах, від технології блокчейну до децентралізованих систем ідентифікації. Ці докази дозволяють доказу продемонструвати правдивість твердження, не розкриваючи жодної інформації, окрім дійсності самого твердження.

Підвищення конфіденційності в криптовалютах і фінансових транзакціях
Одне з основних застосувань ZKP – у сфері криптовалют, зокрема з орієнтованими на конфіденційність монетами, такими як Zcash і Monero. Ці криптовалюти використовують ZKP для забезпечення анонімних транзакцій, які приховують такі деталі, як сума транзакції, адреси відправника та одержувача. Ця технологія гарантує, що хоча транзакції перевіряються мережею як дійсні, їх деталі залишаються прихованими, таким чином зберігаючи фінансову конфіденційність.

Крім того, ZKP відіграють важливу роль у розробці таких протоколів, як Tornado Cash, який полегшує приватні транзакції в публічних блокчейнах, таких як Ethereum. Ці протоколи використовують нульові знання, щоб маскувати деталі транзакцій, підвищуючи конфіденційність користувачів навіть у прозорих блокчейн-мережах.

Автентифікація та підтвердження особи
У сфері автентифікації та контролю доступу ZKP надають засоби для підтвердження володіння криптографічним ключем або паролем без розкриття фактичних облікових даних. Цей підхід є особливо корисним у децентралізованих системах ідентифікації, які часто називають самосуверенною ідентифікацією. Ці системи дозволяють особам підтверджувати аспекти своєї особи (наприклад, громадянство) без розголошення конфіденційної особистої інформації (наприклад, ідентифікаційний номер платника податків або паспортних даних), тим самим підвищуючи безпеку та конфіденційність користувачів.

Перевірені обчислення та масштабованість блокчейну
Докази з нульовим знанням також відіграють вирішальну роль у верифікованих обчисленнях, що є важливим для покращення масштабованості та безпеки блокчейну. Такі методи, як зведення з нульовим знанням і Validiums, використовують ZKP для виконання транзакцій поза ланцюгом, забезпечуючи при цьому їх дійсність в основному блокчейні. Цей метод значно зменшує перевантаження мережі та покращує швидкість транзакцій без шкоди для моделі безпеки блокчейну.

Наприклад, рішення масштабованості Ethereum, такі як zk-Rollups, використовують ZKP для масової обробки транзакцій поза мережею. Після обробки ці транзакції потім перевіряються в ланцюжку за допомогою доказів нульового знання, гарантуючи, що в блокчейні записуються лише дійсні транзакції.

Безпечне голосування та механізми запобігання змові
Докази з нульовою інформацією також є ключовими в системах безпечного голосування, де вони забезпечують цілісність і конфіденційність голосів. Наприклад, MACI (мінімальна інфраструктура протидії змові) використовує ZKP для запобігання хабарництву та змові в механізмах голосування в мережі, таких як квадратичне фінансування. Ця система дозволяє виборцям голосувати, не оприлюднюючи свій вибір, таким чином захищаючи процес голосування від маніпуляцій і гарантуючи, що розподіл коштів базується на справжніх уподобаннях громади.

Більш широке застосування та майбутній потенціал
Універсальність ZKP виходить за рамки цих конкретних випадків використання, торкаючись таких областей, як безпечна передача даних, де вони полегшують точність обчислень приватних даних, не відкриваючи самі дані. Це має глибокі наслідки для таких галузей, як медичні дослідження та фінансовий аналіз, де конфіденційність даних має першочергове значення.

Загалом широка застосовність і надійні функції безпеки доказів з нульовим знанням роблять їх ключовою технологією в поточному розвитку безпечних і приватних цифрових систем. Оскільки ці технології розвиваються, очікується, що вони розблокують ще більше додатків, особливо в областях, які потребують конфіденційної обробки та перевірки інформації.

Інтеграція доказів із нульовим знанням у платформи блокчейн

Докази з нульовим знанням (ZK-докази) дійсно можуть бути інтегровані в блокчейн-платформи, і вони вже успішно реалізовані в різних блокчейн-мережах. ZK-proofs пропонує потужний метод підвищення ефективності, безпеки та конфіденційності систем блокчейн.

Ключові переваги ZK-доказів у Blockchain:

Конфіденційність і конфіденційність:
ZK-докази дозволяють здійснювати приватні транзакції, дозволяючи користувачам виконувати транзакції, не розкриваючи конфіденційних деталей, таких як суми транзакцій та ідентифікаційні дані відправника та одержувача. Ця можливість має вирішальне значення для підвищення конфіденційності користувачів у публічних блокчейнах.

Перевірка та аудит:
ZK-докази можуть підтвердити правильність певних обчислень або тверджень, не розкриваючи фактичних даних. Ця функція забезпечує цілісність даних і забезпечує ефективні процеси аудиту, що має вирішальне значення для підтримки довіри до систем блокчейну.

Масштабованість:
Надаючи стислі докази для складних обчислень, ZK-докази можуть значно зменшити обчислювальне навантаження та навантаження на зберігання для блокчейну, тим самим збільшуючи його масштабованість. Це покращення є життєво важливим для блокчейнів, оскільки вони розширюються та обробляють більше транзакцій.

Ідентичність і автентифікація:
Програми Blockchain можуть використовувати ZK-proofs для безпечної перевірки особистості та процесів автентифікації, захищаючи конфіденційність користувачів. Ця програма особливо важлива в сценаріях, які вимагають суворих заходів безпеки без шкоди для особистої конфіденційності.

Межланцюгова сумісність:
ZK-докази полегшують взаємодію між різними блокчейн-мережами, забезпечуючи безпечні та приватні перехресні комунікації та передачу активів. Ця можливість забезпечує більш плавну та безпечну взаємодію між різними системами блокчейну.

Загалом, докази з нульовим знанням не тільки можливі для інтеграції в технології блокчейну, але також є трансформаційними, пропонуючи значні переваги з точки зору конфіденційності, безпеки та ефективності роботи.

Проблеми та міркування щодо впровадження доказів із нульовим знанням

Докази з нульовим знанням (ZK-докази) пропонують суттєві покращення конфіденційності та безпеки в різних програмах, зокрема в технології блокчейн. Однак вони також містять кілька проблем і недоліків, які необхідно ретельно розглянути перед інтеграцією.

Обчислювальна складність і масштабованість
Одним з головних недоліків ZK-доказів є їх обчислювальна інтенсивність. Розробка та перевірка цих доказів, особливо складніших, може потребувати ресурсів, що призведе до більш тривалого часу обробки транзакцій. Цей обчислювальний попит може перешкоджати масштабованості блокчейн-систем, що ускладнює підтримку ефективності в міру зростання мережі.

Проблеми впровадження та аудиту
ZK-докази можуть значно ускладнити системи, ускладнюючи процеси аудиту та перевірки. Ця складність потенційно може спричинити вразливість системи безпеки або помилки, що викликає занепокоєння щодо загальної надійності системи. Крім того, непрозорий характер ZK-доказів, хоч і сприятливий для конфіденційності, також може ускладнити моніторинг і контроль незаконних дій, які сприяють ці технології, регуляторам.

Економічні та апаратні міркування
Реалізація доказів із нульовим знанням часто вимагає спеціального обладнання, яке може ефективно виконувати складні обчислення. Ці машини, як правило, дорогі і можуть бути недоступними для середнього користувача чи малого підприємства. Крім того, перевірка цих доказів, особливо в таких системах, як ZK-rollups Ethereum, спричиняє високі витрати через необхідну обчислювальну потужність, що може призвести до вищих комісій для кінцевих користувачів.

Припущення довіри та безпеки
У випадку ZK-SNARK генерація загальнодоступних параметрів за допомогою довіреної установки передбачає припущення щодо чесності учасників. Користувачі повинні покладатися на порядність цих учасників, що вносить елемент ризику. Хоча ZK-STARK усуває це припущення про довіру, використовуючи публічно перевірену випадковість, вони разом з іншими доказами нульового знання все ще можуть зіткнутися з загрозами з боку квантових обчислень. Моделі безпеки, засновані на криптографії еліптичної кривої, подібні до тих, що використовуються в ZK-SNARK, потенційно можуть бути скомпрометовані квантовими технологіями, тоді як ZK-STARK покладаються на хеш-функції, стійкі до зіткнень, які вважаються більш стійкими до квантових атак.

Більш широкі наслідки для усиновлення
Спеціальні знання, необхідні для впровадження та підтримки ZK-доказів, можуть обмежити їх впровадження в різних секторах. Без широкого досвіду ці докази могли б залишатися нішевими, обмежуючи їх переваги областями з достатніми технічними можливостями.

Підсумовуючи, хоча докази з нульовим знанням містять значний потенціал для підвищення конфіденційності та безпеки цифрових транзакцій і поза ними, пов’язані з цим проблеми — від технічних і економічних до проблем довіри та безпеки — вимагають ретельної оцінки та стратегічного планування для зменшення ризиків і забезпечення надійності, масштабовані реалізації.

Переваги доказів із нульовим знанням

Докази з нульовим знанням (ZKPs) представляють значний прогрес у прикладній криптографії, пропонуючи потужне рішення для збереження конфіденційності в системах, яким традиційно бракує конфіденційності, наприклад у загальнодоступних мережах блокчейн. Ці криптографічні методи дозволяють перевіряти претензії або транзакції без розкриття будь-яких приватних даних, що лежать в основі, вирішуючи важливі питання безпеки та конфіденційності в різних цифрових взаємодіях.

Покращення конфіденційності в мережах блокчейн
Технологія Blockchain відома своєю прозорістю, коли всі дані в реєстрі доступні кожному, хто керує вузлом. Ця характеристика, хоч і корисна для перевірки та довіри, створює проблеми для конфіденційності, особливо для підприємств і традиційних установ, таких як банки, компанії ланцюга постачання та постачальники медичних послуг. Цим організаціям часто доводиться взаємодіяти з технологією блокчейн, зберігаючи при цьому свої комерційні таємниці та персональну інформацію клієнтів (PII) конфіденційною, щоб відповідати суворим нормам, таким як GDPR у Європі та HIPAA у США.

Докази з нульовим знанням дозволяють цим установам використовувати технологію блокчейн для виконання смарт-контрактів і транзакцій, не розкриваючи конфіденційних даних. Ця можливість не тільки допомагає дотримуватися законів про конфіденційність, але й дає змогу цим установам отримувати вигоду від масштабних мережевих ефектів блокчейну в усьому світі, не жертвуючи контролем над своєю конфіденційною інформацією. У результаті ZKP сприяють створенню нових інституційних варіантів використання блокчейну, сприяючи інноваціям і стимулюючи ефективність у глобальній економіці.

Вирішення проблем конфіденційності під час обміну інформацією
У практичних застосуваннях докази з нульовим знанням дозволяють особам підтверджувати певні твердження, як-от громадянство чи вік, без необхідності розкривати будь-яку додаткову інформацію, яка може поставити під загрозу їх конфіденційність. Традиційно для підтвердження таких претензій потрібно пред’явити такі документи, як паспорти чи водійські права, які містять велику кількість особистих даних, які можуть бути викрадені та використані неналежним чином.

Докази з нульовим знанням вирішують ці проблеми конфіденційності, дозволяючи провереру продемонструвати обґрунтованість твердження за допомогою криптографічного методу, який не вимагає фактичної передачі даних про саму претензію. Наприклад, особа може підтвердити свій громадянський статус постачальнику послуг, використовуючи підтвердження нульового знання, яке підтверджує, що вона має дійсний паспорт, ніколи не відкриваючи паспорт або будь-які дані, що містяться в ньому.

Висновок

Докази з нульовим знанням (ZKPs) стали наріжною технологією в царині криптографії, забезпечуючи надійний метод забезпечення конфіденційності та безпеки в безлічі додатків, від блокчейну до безпечних комунікацій. Ця криптографічна інновація дозволяє прверу підтверджувати правдивість твердження, не відкриваючи нічого, що виходить за межі його достовірності, зберігаючи таким чином конфіденційність базових даних.

Представлені в знаковій статті 1985 року, ZKP значно еволюціонували, знайшовши практичне застосування, яке виходить далеко за межі початкових академічних установок. Сьогодні вони є невід’ємною частиною підвищення конфіденційності в мережах блокчейнів, де вони дозволяють транзакції та виконання смарт-контрактів, не розкриваючи конфіденційну інформацію. Ця можливість не тільки відповідає суворим нормативним вимогам, але й відкриває технологію блокчейн для традиційних секторів, які вимагають конфіденційності з причин конкуренції та відповідності.

В екосистемах блокчейнів докази з нульовим знанням допомагають узгодити потребу в прозорості з вимогами до конфіденційності. Дозволяючи перевірку даних без їх розголошення, ZKP надають установам шлях до участі в загальнодоступних блокчейн-мережах, не втрачаючи контролю над своєю конфіденційною інформацією. Це призвело до ширшого впровадження та інновацій, сприяючи більш ефективній світовій економіці.

Крім того, універсальність ZKP у обробці різних типів взаємодії з даними — чи то підтвердження легітимності виборця на виборах без розкриття його вибору, чи уможливлення приватних транзакцій у публічних книгах — підкреслює їхній значний потенціал. З постійним прогресом у технології ZKP, таким як розробка ZK-SNARK і ZK-STARK, програми продовжують розширюватися, пропонуючи більш ефективні, безпечні та масштабовані рішення.

Однак реалізація доказів з нульовим знанням не позбавлена проблем. Складність і обчислювальні вимоги ZKP вимагають ретельного розгляду щодо масштабованості та економічної доцільності. Оскільки технологія прогресує, постійні дослідження та розробки мають вирішальне значення для подолання цих перешкод, забезпечуючи більш широке застосування ZKP у різних галузях промисловості.

Оскільки докази з нульовим знанням продовжують розвиватися, вони обіцяють ще більше підвищити конфіденційність, безпеку та довіру до цифрових взаємодій, зробивши їх важливим компонентом сучасних криптографічних практик і ключовим чинником інновацій у технології блокчейн і за її межами.

Зверніть увагу, що Plisio також пропонує вам:

Створіть крипторахунки-фактури в 2 кліки and Приймайте криптовалютні пожертви

12 інтеграції

6 бібліотеки для найпопулярніших мов програмування

19 криптовалют і 12 блокчейн