Απόδειξη μηδενικής γνώσης: Πώς λειτουργούν τα ZKproofs και γιατί είναι σημαντικά

Έχετε νιώσει ποτέ την τεράστια απογοήτευση να γνωρίζετε μυστικές πληροφορίες αλλά να μην μπορείτε να τις «αποδείξετε» χωρίς να τις μοιραστείτε; Τότε οι αποδείξεις μηδενικής γνώσης μπορεί να είναι η απόλυτη λύση σας.

Η απόδειξη μηδενικής γνώσης (ZKP ή ZKProof) είναι ένα σύστημα ελέγχου ταυτότητας που επιτρέπει σε δύο μέρη να επιβεβαιώσουν εάν μια δήλωση είναι αληθής ή όχι χωρίς να αποκαλύπτουν πληροφορίες σχετικά με αυτήν.

Στον σημερινό κόσμο, η προστασία των δεδομένων σας και του κρυπτονομίσματος σας στο διαδίκτυο είναι πιο σημαντική από ποτέ. Τα συστήματα ZKP χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία λύσεων απορρήτου που βασίζονται σε blockchain που προστατεύουν τις πληροφορίες σας ενώ σας επιτρέπουν να αποδείξετε ότι οι δηλώσεις σας είναι αληθείς.

Αυτός ο οδηγός θα αποκαλύψει τις καυτές ερωτήσεις σας σχετικά με το ZKProof και θα απομυθοποιήσει αυτό το παρεξηγημένο θέμα. Ας βουτήξουμε.

Παρά το γεγονός ότι διαδόθηκε από την ανάπτυξη της τεχνολογίας κρυπτογράφησης και blockchain, τα πρώτα αρχεία απόδειξης μηδενικής γνώσης που χρησιμοποιούνται ως σύστημα ελέγχου ταυτότητας υπάρχουν ήδη από το 1985. Οι ειδικοί της επιστήμης των υπολογιστών και της μηχανικής μάθησης Shafi Goldwasser και Silvio Micali δημοσίευσαν μια εργασία του MIT για τα ZKP πολύ πριν Ethereum ήταν μια πραγματικότητα.

Χρησιμοποιώντας κρυπτογραφία, τα πρωτόκολλα μηδενικής γνώσης δημιουργούν εμπιστοσύνη και επιβεβαιώνουν πραγματικές δηλώσεις. Ακούγεται απλό, αλλά εδώ είναι η ανατροπή: Τα ZKP επιτρέπουν σε έναν «απόδειξη» και έναν «επαληθευτή» για να διασφαλίσουν ότι μια δήλωση είναι αληθής χωρίς να μοιράζεται πραγματικά τη δήλωση. Αυτό το πρωτόκολλο απόδειξης προσφέρει μεγαλύτερη ασφάλεια στον κυβερνοχώρο για χρήστες που δεν θέλουν να αποκαλύψουν προσωπικές πληροφορίες.

Για λόγους απλότητας, ας δώσουμε ένα παράδειγμα ELI5. Ένα ZKP θα μου επέτρεπε, έναν αποδεδειγμένο, να σας δείξω, έναν επαληθευτή, ότι ξέρω πού βρίσκεται ο Waldo χωρίς να τον υποδείξω πραγματικά στο βιβλίο. Μπορώ να αποδείξω τη δήλωση χωρίς να αποκαλύψω ευαίσθητες πληροφορίες.

Για να είναι πραγματικά αποτελεσματικό ένα πρωτόκολλο μηδενικής γνώσης, ο αλγόριθμος πρέπει να αποδεικνύει ότι μια δήλωση είναι αληθής, διατηρώντας παράλληλα τρεις απλές απαιτήσεις.

• Πληρότητα – Εάν η δήλωση που παρέχεται από τον prover είναι αληθής, το ZKP θα επιστρέφει πάντα το ίδιο «αληθινό» αποτέλεσμα. Όλα όσα είναι αλήθεια μπορούν να αποδειχθούν.
• Στατιστική ορθότητα – Εάν η δήλωση που παρέχεται από τον prover είναι αναληθής, ο επαληθευτής πρέπει να είναι σε θέση να επιβεβαιώσει την ανακρίβειά της. Ουσιαστικά, ένας prover δεν μπορεί να πει ψέματα και να εξαπατήσει έναν ειλικρινή επαληθευτή. 
• Μηδενική Γνώση – Το ZKP πρέπει μόνο να αποκαλύψει εάν ο prover λέει την αλήθεια στον επαληθευτή.

Αν και αυτό μπορεί να φαίνεται περίπλοκο στην αρχή, γίνεται πολύ απλό να το κατανοήσουμε όταν εφαρμόζεται στην πράξη. Ίσως το πιο διάσημο παράδειγμα ενός συστήματος απόδειξης μηδενικής γνώσης είναι η ιστορία του σπηλαίου του Ali Baba.

Το σπήλαιο Ali Baba αφηγείται την ιστορία του Bob, του prover, και της Alice, της επαληθεύτριας. Φανταστείτε μια σπηλιά που σχηματίζει έναν βρόχο. Κάπου στο βρόχο υπάρχει μια κλειδωμένη πόρτα που μπορεί να ανοίξει και να περάσει μόνο με σωστό κωδικό πρόσβασης. Ο Μπομπ θέλει να αποδείξει στην Αλίκη ότι γνωρίζει τον κωδικό πρόσβασης χωρίς να πει στην Αλίκη ποιος είναι ο κωδικός πρόσβασης.

Η Alice και ο Bob δημιουργούν μια αξιόπιστη εγκατάσταση για το πρωτόκολλο μηδενικής γνώσης. Εάν ο Μπομπ γνωρίζει πραγματικά τον κωδικό πρόσβασης, όπως ένα ιδιωτικό κλειδί, και μπορεί να περάσει από την πόρτα, θα πρέπει να μπορεί να επιστρέψει στην Αλίκη στην είσοδο της σπηλιάς και από τις δύο πλευρές του βρόχου.

Δοκιμάζοντας το θεώρημα, ο Μπομπ περιμένει δίπλα στη μαγική πόρτα την Αλίκη να τον καλέσει πίσω στην είσοδο από οποιοδήποτε μονοπάτι. Ο Bob μπορεί να επιστρέψει μέσω της σωστής διαδρομής με 100% ακρίβεια είτε καλέσει το A είτε το B.

Μπορούμε να είμαστε σίγουροι ότι αυτό είναι ένα αποτελεσματικό διαδραστικό σύστημα απόδειξης επειδή:

• Ολοκληρώθηκε - ο Bob αποδεικνύει ότι γνωρίζει τον κωδικό πρόσβασης επειδή επιστρέφει από τη σωστή διαδρομή με 100% ακρίβεια
• Είναι ήχος - ο Μπομπ δεν μπορεί να περάσει την πόρτα χωρίς τον κωδικό πρόσβασης. Εάν επιστρέψει από λάθος μονοπάτι, η Αλίκη μπορεί να επαληθεύσει ότι δεν γνωρίζει τον κωδικό πρόσβασης.
• Ο Μπομπ δεν μπορεί να ξεγελάσει την Αλίκη ώστε να νομίζει ότι γνωρίζει τον κωδικό πρόσβασης.
• Η μηδενική γνώση μοιράζεται – ο Μπομπ μπορεί να αποδείξει ότι γνωρίζει πραγματικά τον κωδικό πρόσβασης χωρίς να μοιράζεται μυστικές πληροφορίες.

Ακριβώς τη στιγμή που νόμιζες ότι τα είχες καταλάβει όλα, υπάρχουν πολλά ακόμα να αναλύσεις. Το σπήλαιο Ali Baba είναι ένα παράδειγμα πολλών διαφορετικών τύπων αποδείξεων μηδενικής γνώσης. Κατά κύριο λόγο, τα ZKP χωρίζονται σε δύο κύριες ομάδες: διαδραστικά και μη διαδραστικά.

Το σπήλαιο Ali Baba είναι ένα παράδειγμα διαδραστικού ZKP. Αυτό σημαίνει ότι και τα δύο μέρη πρέπει να αλληλεπιδρούν συνεχώς μεταξύ τους για να διασφαλίσουν ότι η αξιόπιστη εγκατάσταση παραμένει αξιόπιστη.

Αυτό δημιουργεί ορισμένα προβλήματα. Τα διαδραστικά ZKP μπορεί να είναι χρονοβόρα και να βασίζονται στο ότι και τα δύο μέρη είναι διαθέσιμα. Ως αποτέλεσμα, αυτός ο τύπος απόδειξης μηδενικής γνώσης πάσχει από προβλήματα επεκτασιμότητας. Ευτυχώς, η τεχνολογία blockchain προσφέρει τρόπους για να το αντιμετωπίσετε, όπως μη διαδραστικές αποδείξεις μηδενικής γνώσης.

Σε ένα μη διαδραστικό ZKP, τόσο ο prover όσο και ο επαληθευτής έχουν πρόσβαση σε ένα κοινόχρηστο δημόσιο κλειδί. Αυτό το κλειδί διασφαλίζει ότι απαιτείται μόνο ένας γύρος επικοινωνίας μεταξύ των μερών για την επίδειξη της δήλωσης του παρόχου.

Ο prover μοιράζεται πληροφορίες με έναν ασφαλή κρυπτογραφικό αλγόριθμο που επιβεβαιώνει εάν η δήλωση είναι αληθής ή ψευδής. Στη συνέχεια, το αποτέλεσμα διαβιβάζεται στον επαληθευτή. Ο επαληθευτής διασταυρώνει τη δήλωση του prover σε έναν ξεχωριστό αλγόριθμο για να διασφαλίσει την ακρίβεια.

Με τον ίδιο τρόπο που τα έξυπνα συμβόλαια blockchain μπορούν να εξορθολογίσουν τις χρηματοοικονομικές συναλλαγές, οι μη διαδραστικές αποδείξεις είναι πιο αποτελεσματικές από τις διαδραστικές αποδείξεις. Επιπλέον, μόλις δημιουργηθεί μια απόδειξη, οποιοσδήποτε έχει πρόσβαση στο κοινό κλειδί και στους αλγόριθμους μπορεί να το χρησιμοποιήσει για σκοπούς επαλήθευσης.

Φυσικά, η τρύπα του κουνελιού πάει ακόμα πιο βαθιά! Κάτω από την ομπρέλα των μη διαδραστικών αποδείξεων μηδενικής γνώσης βρίσκονται ακόμη περισσότερες ποικιλίες, το ZK-Snark και το ZK-Stark.

Το ZK-Snark είναι ένα μακροσκελές ακρωνύμιο για έναν συγκεκριμένο τύπο ZKP. Αντιπροσωπεύει:

• Zero-Knowledge – Όπως ήδη γνωρίζουμε, ένας prover μπορεί να επιβεβαιώσει την αλήθεια μιας δήλωσης χωρίς να μοιράζεται μυστικές πληροφορίες.
• Συνοπτικά – Οι αποδείξεις είναι μικρές και εύκολο να επαληθευτούν, ακόμα κι αν η ιδέα που αποδεικνύεται είναι περίπλοκη
• Μη αλληλεπιδραστικό – Οι επαληθευτές και οι επαληθευτές δεν χρειάζεται να επικοινωνούν εμπρός για να λειτουργήσει σωστά το ZKP
• Επιχείρημα - Η απόδειξη είναι βάσιμη, που σημαίνει ότι ένας επαληθευτής μπορεί να απομυθοποιήσει τη δήλωση του prover.
• Γνώση – Ο αλγόριθμος διασφαλίζει ότι οι πληροφορίες του διαχειριστή είναι σωστές

Σε τελική ανάλυση, τα ZK-Snarks έχουν σχεδιαστεί για να είναι εργαλεία χωρίς άδεια, ασφαλή και επεκτάσιμα για να αποδεικνύουν τη γνώση χωρίς αυτές τις πληροφορίες.

Τα ZK-Starks είναι ουσιαστικά τα ίδια με τα ZK-snarks. Η κρίσιμη διαφορά μεταξύ των δύο είναι ότι τα ZK-starks είναι βελτιστοποιημένα για μεγαλύτερη επεκτασιμότητα και παράγουν μεγαλύτερες αποδείξεις. Αντί να είναι συνοπτικά και μη διαδραστικά, τα ZK-starks είναι:

• Scalable – Τα ZK-starks έχουν σχεδιαστεί για να επαληθεύουν μεγαλύτερες δηλώσεις πιο γρήγορα.
• Διαφανή – Τα συστήματα απόδειξης ZK-stark είναι δημόσια επαληθεύσιμα με βάση δημιουργούμενες τυχαίες τιμές, σε αντίθεση με την επαλήθευση από ιδιωτικούς αλγόριθμους.

Ενώ οι πραγματικές εφαρμογές των τεχνολογιών blockchain όπως το Bitcoin και το Ethereum είναι προφανείς, το ZKProofs μόλις τώρα έρχεται στο προσκήνιο της καινοτομίας on-chain. Πολλές περιπτώσεις χρήσης ZKP εξακολουθούν να ανακαλύπτονται. Εδώ είναι μερικά από τα πιο συναρπαστικά βοηθητικά προγράμματα της ZKProofs στην πραγματική ζωή:

Σε πολλές χώρες, είναι κοινή πρακτική να εμφανίζετε τις τραπεζικές καταστάσεις και τα εισοδήματά σας όποτε θέλετε να συνάψετε δάνειο ή να αγοράσετε ακίνητα. Ωστόσο, δεν θέλουν όλοι να αποκαλύπτουν κάθε λεπτομέρεια της ζωής και των εξόδων τους.

Τα ZKP επιτρέπουν στους χρήστες να αποδεικνύουν ότι έχουν επαρκή απόδειξη κεφαλαίων και εισοδήματος χωρίς να αποκαλύπτουν ολόκληρο το ιστορικό συναλλαγών τους σε μη ενδιαφερόμενα μέρη.

Οι διαδικασίες KYC και άλλοι πάροχοι συλλογής ταυτοτήτων αποθηκεύουν ευαίσθητα δεδομένα σε κεντρικούς διακομιστές στην υπάρχουσα μορφή τους. Αυτό μπορεί να είναι προβληματικό επειδή μια παραβίαση ασφαλείας θα μπορούσε να έχει ως αποτέλεσμα την κοινή χρήση των πληροφοριών σας χωρίς τη συγκατάθεσή σας.

Οι αποδείξεις μηδενικής γνώσης σάς επιτρέπουν να επαληθεύσετε εύκολα την ταυτότητά σας στο διαδίκτυο χωρίς να εκθέσετε τα προσωπικά σας στοιχεία σε κανέναν. Για παράδειγμα, μπορείτε να αποδείξετε ότι είστε πολίτης της χώρας σας χωρίς να κοινοποιήσετε κανένα από τα στοιχεία του διαβατηρίου σας.

Ένα από τα κύρια οφέλη της χρήσης κρυπτονομισμάτων και τεχνολογίας blockchain είναι η ανάκτηση του απορρήτου σας στο διαδίκτυο. Ωστόσο, εάν η διεύθυνση του πορτοφολιού σας είναι συνδεδεμένη με την ταυτότητά σας, μπορεί να είναι δύσκολο να διατηρήσετε αυτήν την ανωνυμία.

Τα ZKP και τα blockchain που εστιάζουν στο απόρρητο διευκολύνουν την προστασία του πορτοφολιού και των συναλλαγών σας από τα αδιάκριτα βλέμματα. Με την ανάμειξη και τη θωράκιση των συναλλαγών, αυτά τα πρωτόκολλα προσφέρουν στους χρήστες μεγαλύτερη ανωνυμία κατά την αποστολή και λήψη κεφαλαίων στην αλυσίδα.

Τα συστήματα απόδειξης μηδενικής γνώσης είναι ισχυρά εργαλεία. Όπως ήταν αναμενόμενο, απαιτούν υψηλό υπολογιστικό κόστος και κόστος υλικού για να λειτουργήσουν αποτελεσματικά. Ως αποτέλεσμα, η λειτουργία τους μπορεί να είναι δαπανηρή για τους παρόχους.

Επιπλέον, η επιβεβαίωση και η επαλήθευση των συναλλαγών ZKProof στην αλυσίδα είναι εντατική και απαιτεί υψηλή χρέωση αερίου. Ευτυχώς, όπως πιο επεκτάσιμα blockchains, όπως Χιονοστιβάδα, και οι λύσεις Layer-2 στην επιφάνεια, αυτές οι χρεώσεις θα μειωθούν.

Η αφήγηση ZKProof είναι μια καθιερωμένη και ανταγωνιστική θέση στην αγορά κρυπτογράφησης. Ακολουθούν μερικά παραδείγματα εκκινήσεων κρυπτογράφησης και έργων blockchain που χρησιμοποιούν αποδείξεις μηδενικής γνώσης.

Το Zcash είναι ένα δίκτυο blockchain που επιτρέπει στους χρήστες να στέλνουν και να λαμβάνουν άμεσα κρυπτονομίσματα ανώνυμα χωρίς να μοιράζονται ευαίσθητες πληροφορίες σχετικά με τη συναλλαγή. Σε άλλα δίκτυα όπως το Bitcoin και το Ethereum, όλα τα δεδομένα συναλλαγών, όπως οι διευθύνσεις και η αξία της συναλλαγής, είναι δημόσια επαληθεύσιμα.

Από προεπιλογή, το δίκτυο Zcash χρησιμοποιεί ZKP για να κρύβει αυτόματα αυτές τις μυστικές πληροφορίες και να προσφέρει στους χρήστες μεγαλύτερη ηρεμία.

Το Tornado Cash είναι ένας μείκτης διακριτικών που επιτρέπει στους χρήστες να «κρύβουν» μεταφορές μεταξύ μη συνδεδεμένων πορτοφολιών. Αξιοποιώντας την τεχνολογία ZKProof, ο χρήστης μπορεί να καταθέσει χρήματα στην εφαρμογή από ένα πορτοφόλι και στη συνέχεια να αποσύρει αυτά τα χρήματα σε ένα νέο πορτοφόλι χρησιμοποιώντας ένα μυστικό κλειδί.

Το πρωτόκολλο έγινε πρωτοσέλιδο το 2022 όταν ο ιδρυτής του, Alexey Pertsev, συνελήφθη στην Ολλανδία. Σύμφωνα με τους εισαγγελείς, το Tornado Cash διευκολύνει τις υπηρεσίες ξεπλύματος χρήματος για εγκληματίες. Παρά αυτόν τον ισχυρισμό, το Tornado Cash είναι μια αποκεντρωμένη υπηρεσία χωρίς πραγματικό ιδιοκτήτη ή κίνητρο.

Οι μη διαδραστικές αποδείξεις μηδενικής γνώσης είναι αποτελεσματικές αλλά κάθε άλλο παρά τέλειες. Αυτή η τεχνολογία είναι ακόμη στα σπάργανά της και οι νεοφερμένοι πρέπει να εμπιστεύονται πλήρως τους προγραμματιστές για να δημιουργήσουν μια αξιόπιστη εγκατάσταση, δημιουργώντας μια ανισορροπία ισχύος.

Οι αποδείξεις μηδενικής γνώσης είναι μια ανατρεπτική περίπτωση χρήσης της τεχνολογίας blockchain που μπορεί να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο μοιραζόμαστε ευαίσθητες πληροφορίες στο διαδίκτυο. Είναι σημαντικό να γνωρίζετε πώς λειτουργούν, ώστε να μπορείτε να τα χρησιμοποιήσετε αποτελεσματικά.

Ένα διαδραστικό σύστημα απόδειξης μηδενικής γνώσης απαιτεί από τους συμμετέχοντες να αλληλεπιδρούν συχνά μεταξύ τους για να διασφαλίσουν ότι η απόδειξη παραμένει έγκυρη. Ένα μη διαδραστικό ZKProof χρησιμοποιεί κρυπτογραφία και κοινό κλειδί για να καταργήσει αυτήν την απαίτηση.

Τα ZKProofs είναι εντατικά πρωτόκολλα που απαιτούν υψηλή υπολογιστική ισχύ. Απαιτούν ακριβό υλικό και κόστος συναλλαγών εντός της αλυσίδας για να λειτουργήσουν αποτελεσματικά.

Το πιο γνωστό παράδειγμα ενός ZKProof είναι η αναλογία του σπηλαίου Ali Baba που περιγράφεται σε αυτόν τον οδηγό.