اثبات دانش صفر چیست و چه کاربردی در حوزه کریپتو و امنیت سایبری دارد؟

اثبات دانش صفر چیست و چگونه کار می‌کند؟ انواع مکانیزم ZKP کدامند؟ Zero Knowledge Proof چه کاربردی دارد؟ دانش صفر در آینده بازار کریپتو چه تاثیری دارد؟

در دنیای دیجیتال امروز، حفظ حریم خصوصی و امنیت اطلاعات بیش از پیش اهمیت یافته است. در این راستا، مکانیزم اثبات دانش صفر به عنوان یکی از مبتکرانه‌ترین و قدرتمندترین ابزارهای رمزنگاری مطرح شده که بر پایه اصول ریاضی و منطقی استوار است. این ابزار امکان ارائه اثبات بدون افشای هیچ اطلاعاتی را فراهم می‌آورد. به عبارت دیگر، این تکنولوژی به کاربر اجازه می‌دهد تا صحت ادعای خود را بدون نیاز به اشتراک گذاری اطلاعات محرمانه یا حساس تایید کند.

اثبات دانش صفر، نه تنها در حوزه‌های امنیتی و حفظ حریم خصوصی کاربرد دارد، بلکه در صنایع مختلف از جمله بانکداری، ارزهای دیجیتال، و حتی رای‌گیری الکترونیکی نیز می‌تواند نقش مهمی ایفا کند. این روش از تکنیک‌های پیچیده ریاضی برای ایجاد یک فضای امن و مطمئن استفاده می‌کند که در آن، اطلاعات فقط در صورت لزوم و تنها به اندازه نیاز افشا می‌شوند.

در این مقاله، قصد داریم اصول و مبانی این مکانیزم را بررسی کرده و به تشریح نحوه عملکرد، کاربردها و تأثیرات آن بر جهان دیجیتال بپردازیم. هدف ما ارائه یک دیدگاه جامع و عمیق در خصوص این تکنولوژی نوین است که می‌تواند تحولی بزرگ در عرصه حفاظت از داده‌ها و حریم خصوصی به همراه آورد.

اثبات دانش صفر چیست؟

پروتکل اثبات دانش صفر (ZKP) از جمله روش‌های احراز هویت و راستی آزمایی اطلاعات است که در آن هیچ داده حساسی مبادله نمی‌شود. به همین دلیل، این روش بسیار ایمن تلقی می‌‎شود زیرا هیچ کدام از طرفین تبادل اطلاعات نیز کاملاً نمی‌دانند که چه فایل‌ها یا داده‌هایی را منتقل می‌کنند.

این مکانیزم به شما اجازه می‌دهد بدون افشای اطلاعات حساس به طرف مقابل نشان بدهید که مالک آن‌ها هستید. لفظ “صفر” در نام این مکانیزم به جزئیات و رمزهایی اشاره دارد که مبادله می‌شود (همانطور که گفته شد، هیچ اطلاعاتی به شخص مقابل افشا نمی‌شود). با همه این‌ها، شخص ثانویه یا گیرنده (همان اعتبارسنج) مطمئن خواهد شد که فرستنده اصل دیتاها (و شاید رمز مربوطه به آن) را می‌داند.

اما منظور از رمز اطلاعات در دنیای کریپتو چیست و چرا شما باید بدون بیان آن ثابت کنید که این رمز را می‌دانید؟ اصلاً اگر به شخص مقابل اعتماد ندارید، چرا نیاز است او را قانع کنید که چیزی را می‌دانید؟ این پروسه به چه صورت است و چگونه اعمال می‌شود؟

تاریخچه اثبات دانش صفر (zkp)

تاریخچه مکانیزم دانش صفر به دهه 1980 بازمی‌گردد و برای اولین بار توسط سه دانشمند کامپیوتر، شافی گلدواسر، سیلویو میکالی، و چارلز راکاف، معرفی شد. این مکانیزم اولین بار در 1985 در مقاله‌ای تحت عنوان بحران دانش در سیستم‌های تعاملی اثبات (The knowledge complexity of interactive proof systems) بیان شد. در این مقاله به بیان اصول اساسی ZKP اشاره شده است:

“پروتکل دانش صفر یک مکانیزم امن است که در آن یک فرستنده (یا همان ثابت کننده) می‌تواند ثابت کند که یک دسته اطلاعات درست است. نکته اینجاست که نیازی نیست گیرنده (یا اعتبارسنج) در این راستا اطلاعات زیادی را افشا کند و فقط تلاش می‌کند با کمترین جزئیات نشان دهد گزاره بالا درست است.”

مفهوم ZKP از نظر تئوری در رمزنگاری و علوم کامپیوتر انقلابی به پا کرد، زیرا این امکان را فراهم می‌ساخت تا داده‌های حساس بدون افشای محتوای واقعی آن‌ها تایید شوند. از آن زمان، ZKP در بسیاری از زمینه‌ها از جمله امنیت سایبری، رمزارزها و حفظ حریم خصوصی استفاده شده است. در دهه‌های اخیر، با پیشرفت‌های فناوری و نیاز روز افزون به حفظ حریم خصوصی دیجیتال، اثبات دانش صفر به یک ابزار مهم در صنعت رمزنگاری تبدیل شده است. به خصوص در حوزه فناوری بلاک چین و رمز ارزها، این فناوری نقش کلیدی در تامین امنیت و حفظ حریم خصوصی کاربران ایفا می‌کند.

انواع پروتکل دانش صفر ZKP

مکانیزم دانش صفر دارای دو نوع حالت کلی است. به طور کلی، نتیجه نهایی یکسان است و هر دو روش تلاش می‌کنند که با کمترین اطلاعات نشان دهند که در حال ارسال رشته اطلاعات درستی هستند. این دو روش شامل اثبات دانش صفر تعاملی (Interactive zero-knowledge proof) و اثبات دانش صفر غیرتعاملی (Non-interactive zero-knowledge proof).

1. اثبات دانش صفر تعاملی

دانش صفر تعاملی (Interactive Zero-Knowledge Proofs) یک مفهوم مهم در رمزنگاری و امنیت کامپیوتر است. این روش امکان اثبات داشتن دانش یا اطلاعاتی را بدون افشای خود اطلاعات فراهم می‌کند. به عبارت دیگر، یک شخص می‌تواند نشان دهد اطلاعات خاصی را دارد بدون آنکه آن را به طرف دیگر منتقل کند.

در این روش، دو طرف وجود دارند: یک اثبات کننده (Prover) و یک تایید کننده (Verifier). ثابت کننده می‌خواهد به تایید کننده نشان دهد اطلاعات خاصی را دارد، اما بدون آنکه این داده‌ها را فاش کند. برای این کار، Prover از الگوریتم‌های ریاضیاتی پیچیده استفاده می‌کند تا این اثبات را به صورت تعاملی انجام دهد. یکی از مزایای اصلی این روش، حفاظت از حریم خصوصی است.

به عنوان مثال، در برخی از سیستم‌های رأی‌گیری الکترونیکی، Zkp می‌تواند استفاده شود تا افراد بتوانند رأی خود را بدهند بدون آنکه هویت یا انتخاب آن‌ها فاش شود. این تکنیک‌ها همچنین در بلاکچین و رمز ارزها برای تضمین امنیت و حفظ حریم خصوصی کاربران به کار گرفته می‌شوند. در مجموع، دانش صفر تعاملی روشی قدرتمند برای حفظ امنیت و حریم خصوصی در دنیای دیجیتال است و کاربردهای گسترده‌ای در حوزه‌های مختلف دارد.

2. اثبات دانش صفر غیر تعاملی

البته، دانش صفر غیر تعاملی (Non-interactive zero-knowledge proof) به یک طرف (اثبات کننده) اجازه می‌دهد تا به طرف دیگر (تأیید‌ کننده) اثبات کند که یک گزاره خاص صحیح است، بدون اینکه هیچ اطلاعاتی را درمورد این گزاره فاش کند. در مقایسه با اثبات‌های دانش صفر تعاملی، نسخه غیر تعاملی نیاز به گفتگو یا تبادل پیام میان اثبات کننده و تأیید‌ کننده ندارد.

در این نوع اثبات‌ها، ثابت کننده یک اثبات یک بار مصرف تولید کرده و به تأیید‌ کننده ارسال می‌کند. این اثبات معمولاً شامل استفاده از توابع هش یا سایر ابزارهای رمزنگاری است تا تضمین شود که داده‌های محرمانه فاش نمی‌گردد. هدف اصلی این فرآیند حفظ حریم خصوصی و امنیت اطلاعات است، به طوری که تأیید‌کننده مطمئن شود داده‌ها صحیح هستند، بدون اینکه بتواند اطلاعات مربوط به آن‌ها را کشف کند.

این نوع از اثبات‌ها در بسیاری از برنامه‌های کاربردی مهم از جمله رمز ارزها و بلاکچین، حفظ حریم خصوصی در تبادلات داده و موارد دیگر استفاده می‌شوند. اثبات دانش صفر غیر تعاملی به ویژه برای محیط‌هایی که نیاز به امنیت بالا دارند و در عین حال می‌خواهند از افشای اطلاعات جلوگیری کنند، بسیار ارزشمند است.

شرایط گواهی Zkp

ثابت‌کننده باید از گواهی‌های اثبات برای تصدیق اطلاعات خود استفاده کند. یک گواهی اثبات شامل موارد زیر است:

• شمول: اگر گزاره مورد نظر کاملاً از لحاظ منطقی درست به نظر بیاید، تقریباً اعتبارسنج اطمینان حاصل می‌کند و متقاعد می‌شود که جای بحثی وجود ندارد.
• سلامت: اگر گزاره مورد نظر غلط باشد، سیستم‌های اثبات اجازه نمی‌دهند که تقلب به وجود بیاید. این اتفاق باعث می‌شود اثبات کننده به هیچ وجه نتواند خلاف این موضوع را نشان بدهد.
• دانش صفر: اگر گزاره درست باشد، اعتبارسنج هیچ اطلاعات مضاعفی را (فارغ از صحت گزاره) به دست نخواهد آورد.

نحوه عملکرد اثبات دانش صفر (zkp)

همان طور که گفتیم در هر دو روش تعاملی و غیرتعاملی تلاش می‌شود که اثبات‌کننده با کمترین افشای اطلاعات ثابت کند که اطلاعات محرمانه را در اختیار دارد. اما بیایید با دو مثال شما را بهتر با Zkp آشنا کنیم و هر دو نوع آن را نیز بهتر بررسی نماییم. در مثال اول فرض کنید مسئله توانایی یک فرد برای باز کردن گاو صندوق مورد بحث باشد.

شما می‌خواهید به دوستتان ثابت کنید که رمز عبور گاو صندوق را در اختیار دارد و در عین حال دو طرف نمی‌توانند و نمی‌خواهند که رمز عبور را مستقیماً از یکدیگر بپرسند. در این حالت، دانش صفر تعاملی به وجود می‌آید. هر دو طرف تصمیم می‌گیرند که به صورت غیرمستقیم این موضوع را حل کنند. اعتبار سنج یک برگه را درون گاوصندوق قرار می‌دهد و یک نوشته را بر روی آن می‌نویسد. شما با باز کردن درب گاو صندوق و تکرار پیام به فرستنده بدون افشای اطلاعات حساس نشان می‌دهید که رمز عبور را در اختیار داشته‌اید.

کشورهای غربی دارای یک آلبوم تحت عنوان «والدو کجاست؟» (Where is Waldo?) هستند. این آلبوم‌ها حاوی عکس‌هایی شلوغ مملو از کاراکترهای مختلف بوده و شما باید شخصیت والدو (با لباس راه راه سفید و قرمز) را در آن‌ها پیدا کنید.

برای درک بهتر اثبات دانش صفر غیر تعاملی می‌توانیم همین آلبوم‌ها را در نظر بگیریم. شما به عنوان اثبات کننده فقط یک عکس کوچک از کاراکتر والدو را برش می‌دهید و همین عکس را به اعتبارسنج نشان می‌دهید. اعتبارسنج نمی‌داند که والدو کجاست و شاید حتی خودش هم این اطلاعات حساس را الزاماً در اختیار نداشته باشد، ولی هر دو یک نقطه مشترک دارید و اعتبارسنج مطمئن می‌شود که شما اطلاعات حساس را به صورت کلی در اختیار دارید. در روش غیر تعاملی، روند تأیید اطلاعات نیاز به پروسه‌های طولانی گفتگو ندارد و به یک نمای کلی به نتیجه می‌رسد.

اثبات دانش صفر اسنارک (zero knowledge SNARK)

اسنارک (SNARK) در لفظ به معنای مباحثه مختصر غیر تعاملی دانش (Succinct, Non-interactive, ARguments of Knowledge) است. این روش از اجرای دانش صفر را می‌توان کاربردی‌ترین نوع آن در جهان کریپتو دانست. هر دو طرف یک تراکنش (هم اثبات کننده و هم اعتبارسنج) به صورت ضمنی از صحت اجرا و بررسی اطلاعات مطمئن می‌شوند.

اثبات کننده با استفاده از روش‌های ریاضی پیچیده و تکنیک‌های رمزنگاری، یک “اثبات” تولید می‌کند که تاییدکننده می‌تواند بررسی کند. این اثبات بسیار کوچک بوده و بررسی آن نیازمند زمان و منابع کمی است، اما اطلاعات مهم و حساسی درمورد داده‌های اصلی افشا نمی‌کند. این اتفاق از طریق فناوری رمزنگاری و خصوصاً به واسطه کلید خصوصی (و البته بدون افشای آن میان طرفین) صورت می‌گیرد.

از اثبات‌های دانش صفر اسنارک در بسیاری از کاربردهای مهم مانند حفظ حریم خصوصی در بلاک چین‌ها، سیستم‌های رأی‌گیری الکترونیکی و سایر سیستم‌هایی که نیاز به حفظ امنیت و حریم خصوصی دارند، استفاده می‌شود. این تکنولوژی به کاربران امکان می‌دهد تا تراکنش‌ها و فعالیت‌های خود را بدون افشای هویت یا سایر جزئیات حساس انجام دهند.

کاربرد اثبات دانش صفر در امنیت سایبری

اثبات دانش صفر یکی از مفاهیم پیشرفته در امنیت سایبری است که به طور گسترده‌ای برای افزایش حریم خصوصی و امنیت در انواع مختلف تراکنش‌ها و تبادلات داده‌ای به کار می‌رود. در این فناوری، یک طرف قادر است به طرف دیگر ثابت کند دانش یا اطلاعات خاصی را دارد بدون اینکه جزئیات یا محتوای واقعی آن اطلاعات را فاش کند.

یکی از مهم‌ترین کاربردهای این مکانیزم در حوزه احراز هویت است. این فناوری به کاربران امکان می‌دهد تا هویت خود را تأیید کنند بدون اینکه نیازی به ارائه رمز عبور یا سایر اطلاعات حساس داشته باشند. به این ترتیب، امنیت در برابر حملاتی نظیر فیشینگ و هک شدن رمزهای عبور افزایش می‌یابد. در حوزه تراکنش‌های مالی، مکانیزم zkp این امکان را فراهم می‌آورد تا تراکنش‌ها بدون نیاز به فاش کردن اطلاعات حساب‌های بانکی یا جزئیات شخصی انجام شوند.

این کاربرد به‌ویژه در صنعت ارزهای دیجیتال و بلاک چین محبوبیت زیادی دارد، جایی که حفظ حریم خصوصی و امنیت تراکنش‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. در زمینه حفظ حریم خصوصی داده‌ها، Zkp به کاربران اجازه می‌دهد اعتبار اطلاعات را تأیید کنند بدون اینکه لازم باشد داده‌های واقعی را به اشتراک بگذارند. این امر در مواردی مانند اثبات سن یا وضعیت تحصیلی بدون نشان دادن مدارک هویتی یا تحصیلی مستقیماً کاربرد دارد.

در نهایت، در بخش توافق‌نامه‌ها و قراردادها، فناوری اثبات دانش صفر (zkp) این قابلیت را دارد که اعتبار و صحت یک توافق یا ادعایی را تأیید کند بدون اینکه جزئیات خاصی از آن توافق یا ادعا فاش شود. این امر به‌ویژه در موارد حقوقی و مالکیت معنوی مهم است، جایی که حفظ اطلاعات و امنیت داده‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

مزایای اثبات دانش صفر ZKP

دلایل زیادی مبنی بر اهمیت و کارآمد بودن Zero Knowledge Proof و اینکه چرا تا این حد در دنیای کریپتو به کار گرفته می‌شود، وجود دارد. از جمله ویژگی‌های آن باید به موارد زیر اشاره کرد:

• حریم خصوصی و امنیت: این مکانیزم به شما امکان می‌دهد که اطلاعات اصلی را بدون افشای داده‌های حساس به گیرنده منتقل کنید. این روند باعث می‌شود شبکه به امنیت و حریم خصوصی بالایی برسد. در نتیجه، به خوبی می‌توان از اثبات دانش صفر در حوزه‌های مالی و شخصی استفاده کرد.
• سازگاری: مکانیزم ZKP با قوانین مختلف (از جمله پروتکل‌های حفظ حریم خصوصی) سازگار است. به همین دلیل است که از این مکانیزم در پروسه‌های احراز هویت مشتری KYC یا جلوگیری از پولشویی (AML) استفاده می‌شود.
• مقیاس‌پذیری: در دانش صفر مطمئناً تبادل اطلاعات کمتری صورت می‌گیرد. به همین دلیل است که مقیاس پذیری در شبکه افزایش می‌یابد.
• تعامل پذیری: این پروتکل باعث می‌شود بلاکچین‌های مختلف بتوانند با یکدیگر تعامل داشته باشند. به کمک این مکانیزم می‌توانیم یک روش امن و اختصاصی را برای به‌اشتراک گذاری Data به وجود بیاوریم.
• احراز هویت: پروتکل ZKP می‌تواند برای احراز هویت امن و اختصاصی به کار برود و زمانی استفاده می‌شود که کاربر بخواهد هویت خود را بدون افشای اطلاعات فردی خود ثابت کند.

معایب اثبات دانش صفر ZKP

اگر چه پروسه دانش صفر می‌تواند یک شبکه غیر متمرکز و بدون نیاز به اعتماد را به وجود آورد که صحت اطلاعات در آن به صورت بهینه تأیید می‌شود، اما همچنان مشکلاتی نیز پیش روی کاربران این نوع شبکه‌ها وجود دارد. در ادامه برخی از این معضلات را بررسی می‌کنیم:

اول از همه باید گفت که مسئله “اعتماد” هیچگاه در این مکانیزم‌ها به صورت 100 درصد تضمین نمی‌شود. با هر کدام از پروسه‌های غیر مستقیم اثبات دانش صفر مطمئناً احتمال تأیید اشتباه اطلاعات کاهش پیدا می‌کند. با این وجود نمی‌توان 100 درصد مطمئن شد که ثابت کننده قطعاً صادقانه رفتار می‌کند. به همین دلیل است که مکانیزم Zkp از لحاظ ریاضیاتی یک پروسه اثبات جامع و دقیق به حساب نمی‌آید.

در این مقاله چندان به پروسه رمزنگاری و ریاضیاتی هش‌های اطلاعاتی نپرداختیم که برای تضمین ضمنی اطلاعات مورد نیاز هستند. دلیل عدم اشاره به این موضوع دقیقاً همین مسئله پیچیدگی آن‌هاست. این پروسه پیچیده باعث می‌شود معضل دیگری برای شبکه‌های دانش صفر به وجود بیاید و اعتبارسنج‌ها در این شبکه‌ها مجبور شوند تعامل زیادی با اثبات کننده داشته باشند یا در اثبات دانش صفر غیر تعاملی مجبور شوند قابلیت محاسباتی زیادی را صرف اطمینان از صحت اطلاعات کنند.

این پروسه کاملاً توسط معادلات و فرمول‌های ریاضی انجام می‌شود که نحوه انجام آن‌ها در این مقاله نمی‌گنجد. اگر بخواهید از روش دیگری برای اطمینان از اطلاعات ثابت کننده استفاده کنید باید آن اطلاعات را در چارچوب ریاضی وارد نمایید.

دقیقاً در همین رابطه باید بگوییم که این مکانیزم برای تأیید هر تراکنش نیاز به حدود 2 هزار محاسبه ریاضیاتی دارد. از یک سو، نیاز است برای بهبود مقیاس‌پذیری حتی الامکان از محاسبات ساده استفاده شود و از سوی دیگر این محاسبات نباید به حدی آسان باشند که بتوان با کامپیوترهای پیشرفته این کدها را رمزگشایی کرد.

نحوه استفاده از مکانیزم دانش صفر در حوزه کریپتو

اطلاعات در حوزه کریپتو به صورت رمزنگاری در می‌آیند و یک رشته از اعداد و حروف به نمایندگی از اطلاعات اصلی به وجود می‌آید. از جمله ویژگی‌های مهم توابع هش می‌توان به عدم امکان برگرداندن اطلاعات از مقصد به مبدأ و منحصر به فرد بودن اطلاعات اشاره کرد. هر کاربر یک کلید خصوصی منحصر به فرد در شبکه دارد و به کمک آن کلید می‌تواند قرارداد یا تراکنش خود را رمزگشایی کرده یا آن را امضای الکترونیکی کند.

ثابت کننده در شبکه‌های اثبات دانش صفر (zkp) باید بدون افشای اطلاعات تراکنش یا کلید خصوصی خود نشان دهد دارنده کلید خصوصی است و اطلاعات اصلی را دارد و هش آن همان عبارتیست که اعتبارسنج نیز در اختیار دارد. به عنوان مثال، در رمز ارزهایی مانند زی کش (Zcash)، این مکانیزم برای انجام معاملات خصوصی استفاده می‌شود. همچنین به کاربران امکان می‌دهد تراکنش‌ها را بدون فاش کردن جزئیات حساس مانند مبلغ، طرفین معامله و حتی اینکه اصلا یک معامله انجام شده یا نه، انجام دهند.

مکانیزم اثبات دانش صفر در آینده بازار کریپتو

فناوری بلاک چین توانسته فرصت‌های بی‌شماری را در حوزه‌های مختلف مالی و غیرمالی به وجود بیاورد. بلاکچین در واقع همان دفاتر بایگانی دیجیتال هستند که اطلاعات را به صورت زنجیره‌ای و پیوسته به یکدیگر متصل می‌کنند. همه کاربران می‌توانند با دانلود این دفاتر به همه داده‌ها دسترسی داشته باشند و آن‌ها را مشاهده و بررسی کنند.

اساساً ماهیت رمز ارزها از همان ابتدا بر پایه تمرکززدایی و عدم انتشار اطلاعات به اشخاص ثالث بنا شد. به همین دلیل است که این مکانیزم یک انتخاب مناسب برای حفظ حریم خصوصی کاربران است. همچنین پروسه سنجش اعتبار اطلاعات را نیز می‌تواند با سرعت بیشتر و مقیاس پذیری بهتر به پیش ببرد.

پروتکل‌های Zkp مسلماً شاخص‌ترین فناوری در آینده بلاکچین‌ها به شمار می‌آیند. کاربردهای این فناوری بسیار گسترده هستند و در حوزه‌های مختلف همچون اثبات رمز عبور، اثبات هویت و اثبات عضویت می‌توانند به کار گرفته شوند. در حال حاضر نیز رمز ارزهای زیادی هستند که از اثبات دانش صفر به عنوان اصلی‌ترین الگوریتم اجماع خود استفاده می‌کنند.

از جمله این کریپتوکارنسی‌ها می‌توانیم به مونرو (Monero) و زی کش (ZCash) اشاره کنیم که این مکانیزم را برای تقویت حریم خصوصی خود به کار می‌برند. همچنین رمز ارز دیگری مثل مینا (Mina) از این مکانیزم حتی برای احراز هویت افراد استفاده می‌کند. شما برای احراز هویت از این طریق نیازی به افشای دیتاهای شخصی خود ندارید.

بسیاری از رمزارزها دارای توکن حاکمیتی نیز هستند. این توکن‌ها برای رأی‌گیری نسبت به رویدادهای آتی یک پروژه به کار گرفته می‌شوند تا مدیریت پروژه ترجیحاً شبیه به یک سازمان مستقل غیر متمرکز (DAO) انجام شود. در این راستا، مکانیزم‌های دانش صفر می‌توانند بستری را فراهم سازند تا کاربران بتوانند به صورت ناشناس رأی‌های خود را ثبت نموده و همچنین اطمینان حاصل کنند که رأیشان قطعاً مورد شمارش قرار گرفته است. با توجه به ماهیت رمزنگاری‌شده و اهمیت اختفای اطلاعات از شخص مقابل طبیعیست که ZKP را به عنوان یکی از مهم‌ترین مکانیزم‌های اجماع بشناسیم.