Що таке доказательство з нульовим розкриттям і як воно впливає на блокчейн?

Коротко

Доказательство з нульовим знанням — це революційна криптографічна технологія, яка дозволяє підтвердити правдивість інформації без розкриття самих даних. Цей прорив стає все більш важливим у екосистемах блокчейн, криптовалют і децентралізованих фінансів, де конфіденційність і безпека мають першорядне значення для користувачів і розробників.

Багато проектів DeFi вже інтегрували доказ з нульовим знанням (ZKP) для підвищення приватності та безпеки важливих сервісів, таких як кредитування, позики та торгівля. Зростає кількість шарів Layer 1, що реалізують ZKP-базовані ролапи або zkEVM для покращення масштабованості та ефективності транзакцій. За зростанням впровадження в екосистемі Web3, докази з нульовим знанням мають відігравати все більш важливу роль у формуванні майбутнього технологій блокчейн і децентралізованих додатків.

Як працює доказ з нульовим знанням?

Доказ з нульовим знанням — це інноваційний криптографічний метод, за яким одна сторона (довідник) може продемонструвати іншій стороні (перевіряльнику), що певне твердження є істинним, не розкриваючи додаткової інформації, окрім самої істинності твердження. Це особливо цінно в ситуаціях, коли інформація є чутливою і довідник має зберігати конфіденційність, водночас підтверджуючи знання.

Основний механізм працює так: довідник створює математичний доказ, який може сформувати лише він на основі своїх знань, а перевіряльник використовує цей доказ для підтвердження правдивості твердження. Проте, перевіряльник не може використовувати доказ для відтворення або виведення початкової інформації, що гарантує повну приватність.

Щоб ілюструвати цю концепцію практичним прикладом, уявіть тунель із двома входами, позначеними A і B. Усередині тунелю закрита двері з секретним кодом, яка перекриває єдиний шлях і не дозволяє пройти з одного кінця до іншого. Ви знаєте секретний код і хочете продати його пані X, яка потребує доступу до тунелю для своїх бізнес-операцій.

Ви хочете, щоб вона заплатила наперед перед розкриттям коду, але вона цілком обґрунтовано хоче підтвердження, що ви дійсно знаєте цей код, перед тим як зробити платіж. У цьому сценарії вона може перевірити ваше знання, стоячи перед тунелем і спостерігаючи, як ви входите з одного входу і виходите з іншого. Успішно пройшовши тунель, ви довели своє знання секретного коду, не розкриваючи його. Це елегантне демонстрування переконує пані X у тому, що ви володієте необхідними знаннями, зберігаючи конфіденційність самого коду.

Приклад розвинутого доказу з нульовим знанням

Щоб ще краще проілюструвати силу доказів з нульовим знанням з більш тонким прикладом, уявіть, що у вас є друг, який через дальтонізм не може розрізняти червоний і синій кольори. У вас є два м’ячі: один червоний і один синій. Ваш друг скептично налаштований і не вірить, що ці м’ячі можна розрізнити за будь-якою значущою ознакою. Ви хочете довести другу, що м’ячі справді різних кольорів, не розкриваючи, що у вас є червоний і синій м’ячі, і без повідомлення про способи їх розпізнавання.

Питання: як довести, що м’ячі розрізняються, не розкриваючи жодної інформації про процес ідентифікації або характеристик? Відповідь — це елегантно просто і демонструє основний принцип доказів з нульовим знанням.

Ви просите друга тримати обидва м’ячі за спиною, де ви не можете їх бачити. Він потім показує вам один м’яч. Після того, як ви побачите, який м’яч показано, він знову ховає його за спиною і випадковим чином вирішує, міняти м’яч або залишити все як є. Ваш друг завжди знає, чи він змінив м’яч, чи ні, що дозволяє йому перевірити ваші відповіді.

Після цього він запитує: «Мінявся м’яч?» — і ви відповідаєте, ґрунтуючись на здатності розрізняти кольори. Після правильної відповіді ваш друг може спочатку бути підозрілим, думаючи, що ви просто вгадали. Щоб усунути цю ймовірність, вони просять вас повторити експеримент ще п’ять разів.

Математична ймовірність тут дуже важлива: шанс вгадати правильно кожного разу випадково дуже малий. З кожним успішним повтором довіра друга до вашого здатності зростає. Після шести послідовних правильних відповідей ви довели свою здатність розрізняти м’ячі з дуже високою ймовірністю.

Якщо ви і ваш друг повторювали цей експеримент необмежену кількість разів і ви правильно визначали зміну кожного разу, ймовірність того, що ви просто вгадали, прагне до нуля. Тоді доказ стає фактично беззаперечним.

За цим процесом ви успішно довели другові, що м’ячі розрізняються, не розкриваючи ніякої інформації про спосіб їх розпізнавання. Ваш друг не має нічого про кольори, візуальні характеристики або ваш метод ідентифікації, але він може з повною впевненістю прийняти результати, оскільки статистична ймовірність випадкового вгадування, що дає такі послідовні результати, є надзвичайно низькою.

Чому використовують доказ з нульовим знанням?

Зростаюча популярність доказів з нульовим знанням у екосистемах блокчейн і криптовалют зумовлена зростаючим попитом на конфіденційність і безпеку у цифрових транзакціях. Оскільки технології блокчейн і впровадження криптовалют поширюються по всьому світу, користувачі й організації стають більш обізнаними щодо проблем конфіденційності та ризиків, пов’язаних із прозорими реєстрами блокчейн, де деталі транзакцій є публічно видимими.

Зі зростанням технологій блокчейн і поширенням криптовалют виникає необхідність у методах підтвердження транзакцій і підтвердження знань без розкриття чутливих даних, таких як адреси гаманців, суми транзакцій або особисті дані. Докази з нульовим знанням витонченим чином вирішують цю проблему, забезпечуючи криптографічні гарантії правдивості при збереженні повної конфіденційності.

ЗКП привертають значну увагу й інтерес у останні роки, і багато протоколів на їх основі вже запущені в різних блокчейн-мережах. Великі блокчейни вкладають значні ресурси у створення zk-Rollups для покращення масштабованості та конфіденційності. Явним показником зростаючої популярності доказів з нульовим знанням стала конференція DevCon, де понад 20% усіх технічних доповідей були присвячені цій трансформативній технології, що підкреслює її центральне значення для спільноти розробників блокчейнів.

Ключові досягнення

Область доказів з нульовим знанням стала свідком кількох важливих технологічних проривів, які суттєво розширили їх практичне застосування та ефективність. Ці досягнення зробили ZKP більш доступними та продуктивними для реальних застосувань у блокчейнах.

Одним із ключових досягнень є активне впровадження та удосконалення zk-SNARKs — особливого типу ZKP, що має унікальні переваги щодо розміру доказів і швидкості перевірки. zk-SNARKs широко інтегруються у різні застосунки DeFi, дозволяючи використовувати їх для приватних транзакцій, протоколів із захищеними позиками та управління конфіденційними активами.

Ще одним важливим досягненням у екосистемі доказів з нульовим знанням є підвищена увага до масштабованості та покращення продуктивності через zk-роллапи. Ці рішення другого рівня з’явилися як один із найперспективніших підходів до подолання проблем масштабованості блокчейнів, зберігаючи гарантії безпеки й забезпечуючи конфіденційність транзакцій.

zk-SNARKs: Лаконічні неінтерактивні аргументи знання

Zero-knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge (zk-SNARK) — це конкретний і високоефективний тип доказів з нульовим знанням, який дозволяє підтвердити твердження без розкриття будь-якої інформації про саме твердження. Властивість «лаконічності» означає, що докази мають невеликий розмір і швидко перевіряються, а «неінтерактивність» — це означає, що довідник і перевіряльник не мають бути онлайн одночасно або брати участь у кількох раундах зв’язку.

zk-SNARKs уже успішно застосовуються у різних блокчейн-застосунках, що підтверджує їхню практичну життєздатність і безпеку. Приклади — Zcash, криптовалюта з акцентом на приватність, яка використовує zk-SNARKs для забезпечення повністю захищених транзакцій, та платіжна система Quorum від JP Morgan Chase, яка використовує zk-SNARKs для корпоративних рішень із конфіденційністю. Крім того, zk-SNARKs застосовуються для безпечної автентифікації клієнтів без розкриття паролів або конфіденційних даних, що демонструє їхню універсальність поза межами блокчейн-систем.

Криптографічні основи zk-SNARK роблять їх особливо придатними для сценаріїв із високими гарантіями конфіденційності і ефективною перевіркою, хоча вони вимагають довіреної церемонії налаштування, що є предметом постійних досліджень і удосконалень у криптографічній спільноті.

zk-Rollups: Масштабування мереж блокчейн

zk-Rollups — це інноваційне рішення для масштабування мереж блокчейн, яке дозволяє об’єднувати кілька транзакцій у одну, більшу транзакцію, яка потім реєструється у головному ланцюгу. Це суттєво зменшує обчислювальне навантаження на базовий рівень і при цьому зберігає гарантії безпеки через криптографічні докази.

Наприклад, один із великих публічних блокчейнів Layer 1 запустив тестнет zkBNB, створений на базі zk-rollup, у останні роки, що демонструє практичну реалізацію цієї технології у масштабах. Рішення zkBNB може об’єднати сотні окремих транзакцій у один пакет, оброблений офчейн, і створити криптографічний доказ, що підтверджує всі транзакції пакету. Цей доказ подається до основного ланцюга, де його можна швидко перевірити без необхідності обробляти кожну транзакцію окремо.

zk-Rollups забезпечують оптимальний баланс між масштабованістю і безпекою, що робить їх особливо привабливими для високонавантажених, низьколатентних застосунків, таких як децентралізовані біржі, ігрові платформи й платіжні системи. На відміну від оптимістичних роллапів, zk-rollups забезпечують миттєву остаточність і не вимагають тривалих періодів викликів, що дозволяє користувачам швидше підтверджувати транзакції та покращує користувацький досвід.

Застосування доказів з нульовим знанням

Докази з нульовим знанням мають численні практичні сценарії застосування у різних галузях і сферах, деякі з яких вже успішно запроваджені, а інші мають перспективи для майбутнього розвитку. Універсальність технології ZKP дозволяє підвищити конфіденційність і безпеку в широкому спектрі ситуацій.

Перевірка цифрової ідентичності

Докази з нульовим знанням можна використовувати для підтвердження особистості користувачів без розкриття будь-якої чутливої особистої інформації, такої як імена, адреси, дати народження або державні ідентифікатори. Це особливо цінно у таких сферах, як цифрове голосування, де потрібно підтвердити особу виборця для запобігання шахрайству, водночас зберігаючи їхню анонімність для забезпечення чесних і вільних виборів. ЗКП-інформаційні системи можуть довести, що користувач відповідає певним критеріям (наприклад, старше 18 років або мешкає в конкретній юрисдикції) без розкриття фактичних даних.

Конфіденційні транзакції

Один із найпопулярніших і широко застосовуваних сценаріїв використання доказів з нульовим знанням у криптовалютній екосистемі — забезпечення конфіденційних транзакцій на публічних блокчейнах. Наприклад, децентралізований застосунок Manta Network використовує ZKP для дозволу користувачам здійснювати транзакції на децентралізованих біржах без розкриття своєї ідентичності, адрес гаманців або деталей транзакцій публічно. Це дозволяє зберігати фінансову приватність, водночас користуючись платформою для торгівлі, обміну та інших операцій DeFi. Гарантії конфіденційності, які надають ZKP у цьому контексті, криптографічно міцні і не можуть бути порушені аналізом блокчейну або іншими засобами спостереження.

Захищені транзакції

Zcash — це криптовалюта-інноватор, яка використовує докази з нульовим знанням для здійснення захищених транзакцій, що є однією з перших і найуспішніших реалізацій технології ZKP у блокчейн. У таких транзакціях адреси відправника і отримувача, а також суми транзакцій повністю приховані від публічного ланцюга за допомогою zk-SNARKs. Це забезпечує суттєвий рівень приватності для користувачів, які прагнуть зберегти конфіденційність своїх фінансових операцій, одночасно користуючись безпекою і децентралізованістю блокчейн-технології. Користувачі можуть обирати між прозорими і захищеними транзакціями відповідно до своїх потреб у приватності.

Токенізація та підтвердження власності

Докази з нульовим знанням також використовуються для токенізації реальних активів і підтвердження права власності без відкриття чутливих даних. Наприклад, нерухомість може бути токенізована на базі блокчейну, і будь-яка зацікавлена сторона може підтвердити поточний статус власності за допомогою ZKP без доступу до конфіденційної інформації, такої як особисті дані власника, ціна покупки або інші приватні дані. Ця застосовність має суттєвий потенціал у сферах нерухомості, управління ланцюгами поставок і прав інтелектуальної власності.

Глобальна відповідність і регуляторна інтеграція

Деякі країни запровадили суворі регуляції щодо збору, збереження та обміну фінансовою інформацією, що може створювати труднощі для децентралізованих платформ, що працюють у кількох юрисдикціях. Докази з нульовим знанням пропонують рішення, дозволяючи платформам передавати необхідну інформацію регуляторам і контролюючим органам, зберігаючи її приватною від інших учасників, включно з користувачами та потенційними зловмисниками.

Ця здатність допомагає подолати розрив між децентралізованими платформами і традиційними фінансовими установами, полегшуючи відповідність DeFi-протоколів регуляторним вимогам, таким як KYC і AML. Доводячи відповідність без розкриття вихідних даних, ZKP дозволяють дотримуватися нормативів, не жертвуючи перевагами конфіденційності, що приваблює користувачів до децентралізованих платформ.

Майбутнє доказів з нульовим знанням у блокчейн

Докази з нульовим знанням мають потенціал спричинити низку технологічних інновацій у найближчі роки, оскільки технологія дозріває і стає більш зрозумілою для розробників і користувачів. Деякі нові тенденції та розробки заслуговують уваги, оскільки вони мають потенціал суттєво вплинути на екосистеми блокчейн і Web3.

Мультиланцюгові рівні приватності

Зі зростанням і розвитком екосистем блокчейн і DeFi, з’являється потреба у рішеннях для взаємодії між різними мережами, що забезпечують безшовну комунікацію. Мультиланцюгові рівні приватності, створені на базі технології з нульовим знанням, дозволять проводити транзакції між різними мережами, зберігаючи приватність учасників та конфіденційність деталей транзакцій. Це може забезпечити справжню приватну міжланцюгову DeFi-операцію, коли користувачі можуть переміщати активи і виконувати транзакції через кілька ланцюгів без створення сліду, який можна відстежити.

zk-STARKs: Масштабовані прозорі аргументи знання

Інша сфера, що викликає значний інтерес і активний розвиток — це zk-STARKs (з нульовим знанням масштабовані прозорі аргументи знання), новий тип доказів з нульовим знанням, який вважається більш ефективним і безпечним за zk-SNARKs у певних аспектах. zk-STARKs пропонують кілька переваг: вони швидше перевіряються, особливо для складних обчислень, і не потребують довіреної церемонії налаштування, що зменшує потенційні ризики безпеки.

Прозорість zk-STARKs означає, що вони базуються на публічно перевірюваному випадковості, а не на довірених параметрах налаштування, що робить їх більш стійкими до певних криптографічних атак. У міру розвитку технології zk-STARK і зростання кількості бібліотек для розробників їх впровадження у протоколи blockchain з високими гарантіями безпеки і масштабованості буде зростати.

Зручні інструменти для розробників

Технологія доказів з нульовим знанням включає складні криптографічні концепції і математичні основи, тому не кожна команда розробників має глибокі знання у цій спеціальній галузі криптографії. Розробка зручних інструментів і бібліотек для ZKP може допомогти подолати цю прогалину і зробити інтеграцію доказів з нульовим знанням значно простішою для розробників із різних галузей без необхідності отримувати високий рівень у криптографії.

Ці інструменти приховують більшу частину математичної складності, забезпечуючи безпечні, аудировані реалізації протоколів ZKP. З подальшим вдосконаленням і доступністю таких інструментів можна очікувати їх широкого застосування у різних сферах, від мобільних гаманців до підприємницьких блокчейн-рішень.

Обмеження доказів з нульовим знанням

Хоча докази з нульовим знанням — це потужний і унікальний метод підтвердження правдивості інформації з збереженням конфіденційності, важливо розуміти, що вони не гарантують абсолютну 100%-ву безпеку у всіх випадках. Безпека ZKP базується на ймовірнісних гарантіях і криптографічних припущеннях. Хоч ймовірність успішної перевірки, якщо довідник бреше або не має потрібних знань, є надзвичайно малоймовірною (стосовно нуля при повторних доказах), користувачам і розробникам слід розуміти, що ZKP не є теоретично непорушними проти всіх можливих атак, особливо тих, що потенційно можуть виникнути з розвитком квантових комп’ютерів у майбутньому.

Крім того, алгоритми, що використовуються у доказах з нульовим знанням, потребують значних обчислювальних ресурсів, що може створювати практичні труднощі для реалізації. У деяких типах ZKP, наприклад zk-SNARKs, генерація доказів вимагає багато обчислювальних потужностей і часу, що ускладнює застосування для складних тверджень і у ресурсозалежних середовищах, таких як мобільні пристрої або IoT. Однак, постійні дослідження щодо більш ефективних алгоритмів і апаратного прискорення поступово зменшують ці обмеження.

Заключні думки

Докази з нульовим знанням швидко набирають популярності та поширюються у блокчейн-індустрії через їхні унікальні властивості збереження приватності й потенціал масштабованості. Технологія вирішує дві найважливіші проблеми впровадження блокчейн: питання конфіденційності та обмежень масштабованості.

Зростаюче застосування доказів з нульовим знанням у блокчейнах, криптовалютах і децентралізованих фінансах ймовірно сприятиме появі нових інноваційних сервісів і продуктів, що значно покращують приватність, масштабованість і безпеку для користувачів. За умов, коли технологія ZKP буде розвиватися і ставати більш доступною для розробників, докази з нульовим знанням відіграватимуть все більш важливу роль у створенні безпечних, приватних і ефективних децентралізованих екосистем.

Майбутнє технологій блокчейн, ймовірно, значною мірою формуватиметься під впливом проривів у доказах з нульовим знанням, оскільки вони відкривають нові можливості для приватних обчислень, масштабованої обробки транзакцій і дотримання регуляторних вимог без втрати принципів децентралізації і суверенітету користувачів, що робить блокчейн трансформаційною технологією.

Часті питання

Що таке доказ з нульовим знанням (ZKP) і який його основний принцип?

Доказ з нульовим знанням — це криптографічний метод, що дозволяє одній стороні довести знання інформації, не розкриваючи самі дані. Основний принцип полягає в тому, що довідник може переконати перевіряльника у правдивості твердження за допомогою математичної перевірки, при цьому зберігаючи всю чутливу інформацію у повній таємниці.

Які практичні застосування доказів з нульовим знанням у блокчейні?

Докази з нульовим знанням покращують приватність і масштабованість блокчейнів. Основні застосування — приватні транзакції, безпечна ідентифікація, рішення другого рівня для масштабування та конфіденційні смарт-контракти. Вони дозволяють користувачам підтверджувати правдивість інформації без розкриття вихідних даних, підвищуючи безпеку і ефективність транзакцій.

Як доказ з нульовим знанням захищає приватність користувача? Чим він відрізняється від традиційного шифрування?

Доказ з нульовим знанням дозволяє підтвердити правдивість інформації без розкриття її змісту. На відміну від традиційного шифрування, яке захищає передачу даних, ZKP доводить правильність інформації, зберігаючи її у таємниці для перевіряльника, забезпечуючи вищий рівень приватності за дизайном.

У чому різниця між zk-SNARK та zk-STARK? Які їхні переваги та недоліки?

zk-SNARK вимагає довіреної церемонії налаштування, але пропонує менший розмір доказів і швидшу перевірку. zk-STARK усуває потребу у довіреній церемонії, забезпечуючи прозорість, але генерує більші докази, що потребують більше обчислювальних ресурсів. SNARK підходять для застосувань із високою конфіденційністю; STARK — для сценаріїв масштабованості і децентралізації.

Який вплив мають докази з нульовим знанням на продуктивність і швидкість роботи блокчейна?

Спочатку застосування ZKP підвищує обчислювальне навантаження і може сповільнити обробку транзакцій. Однак вони дозволяють використовувати рішення другого рівня для значного збільшення пропускної здатності і зниження вартості. Загалом, технологія ZKP покращує ефективність і масштабованість блокчейна у довгостроковій перспективі.

Які відомі проекти блокчейнів, такі як Zcash і Ethereum, застосували докази з нульовим знанням?

Zcash стала першою, що запровадила ZKP для приватних транзакцій. Ethereum інтегрувала ZKP у рішення другого рівня, такі як zkSync і StarkNet. Polygon також застосовує ZKP. Ці проекти використовують ZKP для підвищення приватності, масштабованості і ефективності перевірки у блокчейн-операціях.

Які перспективи застосування доказів з нульовим знанням у сферах DeFi і NFT?

ZKP покращують конфіденційність і масштабованість у DeFi, зменшуючи вартість транзакцій. У NFT вони дозволяють приватно підтверджувати власність і забезпечують конфіденційність метаданих. Майбутні застосування — кредитування із збереженням приватності, анонімна торгівля і підтвердження автентичності цифрових активів без розкриття чутливих даних.

Які основні виклики зараз стоять перед технологією доказів з нульовим знанням?

ЗКП стикаються з кількома труднощами: високою обчислювальною складністю, проблемами масштабованості при роботі з великими даними, часом генерації доказів і труднощами інтеграції у існуючі системи. Також триває стандартизація і вдосконалення технічних протоколів.