zk-SNARK چیست؟ | تحلیل عملکرد و کاربردهای اثبات دانش صفر

آیا تا به حال فکر کرده‌اید که چگونه می‌توان یک تراکنش را در بلاک چین تأیید کرد بدون اینکه کسی از جزئیات آن مطلع شود؟ وقتی همه چیز در بلاک چین قابل مشاهده است، چگونه می‌توانیم حریم خصوصی را حفظ کنیم؟ الگوریتم zk-SNARK با کمک گواه دانش صفر این امکان را فراهم می‌کند که اعتبار یک ادعا یا تراکنش تأیید شود بدون اینکه اطلاعات فاش شود.

در این مقاله، آکادمی بیت‌پین به زبان ساده مفاهیم پایه، عملکرد، کاربردها، مزایا و معایب zk-SNARK را بررسی کرده و تفاوت آن را با zk-STARK مورد بحث قرار می‌دهیم.

آشنایی با مفهوم اثبات دانش صفر (Zero-Knowledge Proof)

اثبات دانش صفر (ZKP) مفهومی کلیدی در رمزنگاری است که به یک طرف (اثبات‌کننده) این امکان را می‌دهد تا طرف دیگر (تأییدکننده) را متقاعد کند که یک ادعا صحیح است، بدون اینکه هیچ اطلاعاتی بیشتر از صحت ادعا افشا کند.

فرض کنید می‌خواهید به کسی نشان دهید که رمز عبور یک حساب کاربری را می‌دانید، بدون اینکه آن را به‌طور مستقیم به او بگویید. ZKP این امکان را برای شما فراهم می‌کند.

تصور کنید که در کتاب‌های مصور Where’s Wally، می‌خواهید به دوستتان ثابت کنید که مکان Wally را در تصویر می‌دانید، بدون اینکه مکان دقیق او را نشان دهید.

در این حالت، می‌توانید یک ورق بزرگ را روی تصویر قرار دهید و فقط یک سوراخ کوچک در جایی که Wally قرار دارد، ایجاد کنید. دوست شما با دیدن از طریق سوراخ متقاعد می‌شود که شما مکان او را می‌دانید، بدون اینکه موقعیت دقیقش فاش شود.

به‌عنوان یک مثال دیگر، تمثیل غار علی بابا را در نظر بگیرید.

تصور کنید سارا (اثبات‌کننده) و سعید (تأییدکننده) یک غار حلقوی شکل را پیدا می‌کنند که در انتهای آن یک در جادویی با یک کلمه رمز موجود است. سارا ادعا می‌کند که کلمه رمز را می‌داند، اما نمی‌خواهد آن را به سعید بگوید.

• سارا برای اثبات دانش خود بدون افشای راز، وارد غار می‌شود و یکی از دو مسیر را انتخاب می‌کند. سعید که در بیرون منتظر است، نمی‌داند سارا به کدام مسیر رفته. سپس سعید وارد غار می‌شود و از سارا می‌خواهد از مسیر دیگر برگردد. اگر سارا کلمه رمز را بداند، می‌تواند از طریق در جادویی به مسیر دیگر بازگردد.
• این روند چندین بار تکرار می‌شود. هر بار که سارا با موفقیت به مسیر خواسته‌شده سعید برمی‌گردد، اعتماد او به این که سارا کلمه رمز را می‌داند، بیشتر می‌شود. اما چون سعید نمی‌بیند که سارا چگونه این کار را می‌کند، هیچ اطلاعاتی در مورد خود کلمه رمز به‌دست نمی‌آورد.

این تمثیل نشان می‌دهد که چگونه می‌توان دانش یک راز را بدون افشای آن ثابت کرد. هر بار که سارا با موفقیت برمی‌گردد، احتمال اینکه او فقط حدس می‌زده یا خوش‌شانس بوده، به‌طور فزاینده‌ای کاهش می‌یابد. پس از تکرارهای کافی، سعید ممکن است با اطمینان بالا متقاعد شود که سارا واقعاً کلمه رمز را می‌داند.

الگوریتم اثبات دانش صفر دارای سه ویژگی اصلی است:

• کامل بودن (Completeness): به این معنا که اگر ادعا صحیح باشد، یک اثبات‌کننده صادق می‌تواند تأییدکننده صادق را متقاعد کند؛
• صحت (Soundness): به این معنا که اگر ادعا نادرست باشد، هیچ اثبات‌کننده متقلبی نمی‌تواند تأییدکننده صادق را متقاعد کند (به جز با احتمال بسیار کم)؛
• دانش صفر (Zero-Knowledge): به این معنا که تأییدکننده هیچ اطلاعاتی فراتر از صحت ادعا نمی‌گیرد.

علاوه بر این، ثبات‌های دانش صفر می‌توانند تعاملی (Interactive) باشند، جایی که اثبات‌کننده و تأییدکننده چندین بار با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند، یا غیرتعاملی (Non-Interactive) باشند، که در آن اثبات‌کننده یک پیام منفرد برای تأییدکننده ارسال می‌کند.

الگوریتم zk-SNARK چیست؟

الگوریتم zk-SNARK مخفف Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge است. بیایید هر بخش از این نام را بررسی کنیم:

• Zero-Knowledge: این ویژگی تضمین می‌کند که هیچ اطلاعاتی فراتر از صحت ادعا فاش نمی‌شود.
• Succinct: به این معنا است که اندازه اثبات بسیار کوچک است و تأیید آن به سرعت انجام می‌شود، همانطور که پیچیدگی محاسبات زیربنایی فرقی نمی‌کند. این ویژگی برای مقیاس‌پذیری سیستم‌ها حیاتی است.
• Non-Interactive: اثبات‌کننده تنها یک پیام به تأییدکننده ارسال می‌کند و نیازی به هیچ‌گونه تعامل رفت و برگشتی نیست. این ویژگی برای سیستم‌های غیرمتمرکز و غیرهم‌زمان مانند بلاک چین بسیار مهم است.
• Argument of Knowledge: این بخش ثابت می‌کند که اثبات‌کننده به طور محاسباتی نشان می‌دهد که دانش لازم برای ادعای خود را دارد و امنیت در برابر اثبات‌کننده‌های متقلب با قدرت محاسباتی محدود تضمین می‌شود.

ویژگی‌های اصلی الگوریتم zk-SNARK

الگوریتم zk-SNARK دارای ویژگی‌های کلیدی مختلفی است که آن را برای کاربردهای گوناگون جذاب می‌سازد. برخی از این ویژگی‌ها به شرح زیر هستند:

• حفظ حریم خصوصی: این الگوریتم تأیید محاسبات را بدون افشای داده‌های ورودی حساس ممکن می‌سازد. این ویژگی برای برنامه‌ها که نیاز به حفظ محرمانگی دارند، بسیار ارزشمند است.
• کارایی بالا: اثبات‌های تولیدشده توسط zk-SNARK ها بسیار کوچک هستند و تأیید آن‌ها سریع انجام می‌شود. این کارایی به مقیاس‌پذیری سیستم‌های مبتنی بر آن کمک می‌کند.
• غیرتعاملی بودن: فرایند تأیید تنها به یک پیام از طرف اثبات‌کننده نیاز دارد، که این امر آن را برای سیستم‌های غیرمتمرکز و ناهمزمان مناسب می‌سازد.
• صحت محاسباتی: امنیت این الگوریتم بر پایه دشواری محاسباتی شکستن فرضیات رمزنگاری قوی بنا شده است.
• نیاز به تنظیمات مورد اعتماد (در بسیاری از ساختارها): بسیاری از پیاده‌سازی‌های zk-SNARK به یک مرحله تنظیمات مورد اعتماد اولیه نیاز دارند که در آن کلیدهای اثبات و تأیید تولید می‌شوند. این مرحله باید به‌طور امن انجام شود و پارامترهای مخفی بایستی از بین بروند تا از جعل اثبات جلوگیری شود.
• اتکا به رمزنگاری منحنی بیضوی (در بسیاری از ساختارها): بسیاری از طرح‌های zk-SNARK بر اساس رمزنگاری منحنی بیضوی (ECC) ساخته شده‌اند که ممکن است در برابر حملات رایانه‌های کوانتومی آسیب‌پذیر باشند.

نحوه عملکرد الگوریتم zk-SNARK

عملکرد الگوریتم zk-SNARK شامل چند مرحله اصلی است:

• تنظیمات مورد اعتماد (Trusted Setup)

این مرحله اولیه معمولاً شامل تولید کلیدهای رمزنگاری است که برای اثبات و تأیید استفاده می‌شوند. این کار معمولاً توسط یک طرف مورد اعتماد یا از طریق یک رویداد محاسبات چندجانبه امن (MPC) انجام می‌شود که در آن چندین مشارکت‌کننده به تولید کلیدها کمک می‌کنند.

هدف این است که هیچ‌کس به پارامترهای مخفی که در تولید کلیدها استفاده شده، دسترسی نداشته باشد، زیرا این امر می‌تواند امکان جعل اثبات را فراهم کند.

• تولید گواه (Proof Generation)

پس از انجام مراحل تنظیمات مورد اعتماد و تولید کلیدهای لازم، اثبات‌کننده (کسی که دارای دانش مخفی یا شاهد است) می‌تواند با استفاده از کلید اثبات و ورودی عمومی و ورودی مخفی خود، یک اثبات مختصر تولید کند.

این محاسبات یا ادعای مورد نظر برای اثبات عموماً ابتدا به یک مدار حسابی تبدیل می‌شود؛ سپس این محاسبات به مجموعه‌ای از معادلات چندجمله‌ای یا شکل دیگری از نمایش ریاضی تبدیل می‌شود که برای پروتکل zk-SNARK مناسب است.

• تأیید گواه (Proof Verification)

تأییدکننده (کسی که می‌خواهد از صحت ادعا اطمینان حاصل کند) می‌تواند از کلید تأیید به همراه ورودی عمومی و گواه تولیدشده توسط اثبات‌کننده برای بررسی سریع صحت ادعا استفاده کند.

کاربردهای الگوریتم zk-SNARK

الگوریتم zk-SNARK کاربردهای زیادی در زمینه‌های گوناگون، به‌ویژه در بلاک چین و سیستم‌هایی که نیاز به حفظ حریم خصوصی دارند، دارد. در ادامه چند مورد از اصلی‌ترین کاربردهای این الگوریتم را بررسی خواهیم کرد.

استفاده در رمز ارزهایی مانند Zcash برای حفظ حریم خصوصی تراکنش‌ها

یکی از کاربردهای برجسته zk-SNARK ها در ارزهای دیجیتال مانند Zcash است. یکی از دلایل افزایش قیمت زی‌کش، بهره‌مندی از این الگوریتم و حفظ حریم خصوصی است. این ارز از zk-SNARK ها برای فعال‌سازی تراکنش‌های محافظت‌شده استفاده می‌کند.

به کمک این الگوریتم، در شبکه زی‌کش، آدرس فرستنده، آدرس گیرنده و مقدار تراکنش رمزگذاری شده و از دید عموم پنهان می‌ماند، در حالی که اعتبار تراکنش همچنان تعیین شده و قابل تأیید است.

این امکان به کاربران اجازه می‌دهد تا با حفظ حریم خصوصی کامل در شبکه Zcash تراکنش انجام دهند. زی‌کش از آدرس‌های محافظت‌شده (z-addresses) در برابر آدرس‌های شفاف (t-addresses) استفاده می‌کند.

کاربرد در رأی‌گیری‌های آنلاین و سایر سیستم‌های نیازمند حفظ حریم خصوصی

zk-SNARKها می‌توانند در سیستم‌های رأی‌گیری آنلاین امن استفاده شوند تا اطمینان حاصل شود که رأی‌ها توسط افراد واجد شرایط داده شده و به‌درستی شمارش می‌شوند، در حالی که هویت رأی‌دهندگان محفوظ می‌ماند.

علاوه بر این، این الگوریتم می‌تواند در سایر سیستم‌هایی که نیاز به حفظ حریم خصوصی دارند، مانند تأیید هویت غیرمتمرکز، تراکنش‌های مالی محرمانه، اشتراک‌گذاری امن داده‌ها در مراقبت‌های بهداشتی و نظارت بر زنجیره تأمین، برای تأیید اصالت محصول بدون افشای اطلاعات تجاری حساس کاربرد داشته باشد.

کاربرد در راهکارهای مقیاس‌پذیری (zk-Rollups)

zk-SNARKها نقش مهمی در راهکارهای مقیاس‌پذیری لایه 2 برای بلاک چین‌هایی مثل شبکه اتریوم ایفا می‌کنند، به‌ویژه در قالب zk-Rollups. zk-Rollups این الگوریتم‌ها چندین تراکنش را خارج از زنجیره اصلی دسته‌بندی کرده و یک اثبات مختصر از اعتبار آن‌ها را با استفاده از zk-SNARK تولید می‌کنند.

این اثبات سپس در زنجیره اصلی اتریوم تأیید می‌شود. این کار به‌طور قابل توجهی توان عملیاتی تراکنش را افزایش داده و هزینه‌های کارمزدی را کاهش می‌دهد.

مزایا و معایب الگوریتم zk-SNARK

الگوریتم zk-SNARK همچون هر فناوری دیگری دارای مزایا و معایب خاص خود است. جدول زیر این موارد را بررسی می‌کند:

ویژگی	مزایای zk-SNARK	معایب zk-SNARK
حریم خصوصی	امکان انجام تراکنش‌ها و تأیید محاسبات بدون افشای اطلاعات حساس را فراهم می‌کند.	پیاده‌سازی و اطمینان از حفظ کامل ویژگی دانش صفر می‌تواند پیچیده باشد.
کارایی	اندازه اثبات کوچک و زمان تأیید سریع که منجر به بهبود مقیاس‌پذیری می‌شود.	تولید اثبات می‌تواند از نظر محاسباتی سنگین و نیازمند منابع زیادی برای اثبات‌کننده باشد.
امنیت	تضمینات رمزنگاری قوی بر اساس فرضیات سختی محاسباتی ارائه می‌دهد.	اتکا به تنظیمات مورد اعتماد در بسیاری از ساختارها، در صورت به‌خطرافتادن تنظیمات، می‌تواند آسیب‌پذیری ایجاد کند. آسیب‌پذیری در برابر حملات رایانه‌های کوانتومی به دلیل اتکا به ECC در برخی طرح‌ها.
تنظیمات مورد اعتماد	نیاز به تنظیمات مورد اعتماد دارد.	نیاز به تنظیمات مورد اعتماد دارد که می‌تواند نگرانی‌های مربوط به اعتماد و آسیب‌پذیری‌های بالقوه ایجاد کند.
مقیاس‌پذیری	کارآمد برای اثبات‌های کوچک و تأیید سریع.	نیاز به تنظیمات مورد اعتماد می‌تواند محدودیتی در محیط‌های پویا باشد.

آینده الگوریتم zk-SNARK

آینده الگوریتم zk-SNARK بسیار امیدوارکننده به نظر می‌رسد و تحقیقات و پیشرفت‌های مداوم در حال رفع محدودیت‌های فعلی آن است. یکی از تحولات قابل توجه، معرفی Halo 2 توسط Electric Coin Company (ECC) است که نیاز به تنظیمات مورد اعتماد را در Zcash و سایر بلاک چین‌ها حذف می‌کند.

علاوه بر این، پیشرفت‌های دیگر مانند PLONK نیز در حال توسعه هستند که تنظیمات مورد اعتماد جهانی را ارائه می‌دهند. انتظار می‌رود که zk-SNARK ها در آینده در صنایع مختلف، فراتر از بلاک چین، کاربرد بیشتری بیابند، مانند راهکارهای امن برای تأیید هویت، یادگیری ماشین قابل تأیید و محاسبات محرمانه.

کلام پایانی

الگوریتم zk-SNARK یک فناوری قدرتمند در زمینه رمزنگاری است که امکان اثبات دانش یا صحت محاسبات را بدون افشای اطلاعات حساس فراهم می‌کند.

با وجود برخی محدودیت‌ها، مانند نیاز به تنظیمات مورد اعتماد و آسیب‌پذیری‌های احتمالی در برابر رایانه‌های کوانتومی، پیشرفت‌های اخیر مانند Halo 2 و تحقیقات مداوم، نشان می‌دهند که آینده این فناوری درخشان به نظر می‌رسد.

به‌طور کلی zk-SNARK ها نقش حیاتی در افزایش حریم خصوصی و مقیاس‌پذیری در بلاک‌چین و فراتر از آن ایفا می‌کنند و به احتمال زیاد کاربردهای آن‌ها در سال‌های پیش رو به‌طور چشمگیری افزایش خواهد یافت.

امیدواریم مطالعه این مقاله برای شما مفید واقع شده باشد. اگر سوالی در خصوص این الگوریتم یا کاربردهای آن دارید، با ما در میان بگذارید تا در سریع‌ترین زمان ممکن پاسخ تخصصی به شما ارائه دهیم.

سوالات متداول

• الگوریتم zk-SNARK چه کاربردی دارد؟

الگوریتم zk-SNARK در زمینه‌های متعددی کاربرد دارد، از جمله حفظ حریم خصوصی در ارزهای دیجیتال مانند Zcash و در بلاک‌چین‌های خصوصی برای حفظ حریم خصوصی و محرمانه ماندن تراکنش‌ها و داده‌ها.

• تفاوت zk-SNARK و zk-STARK چیست؟

تفاوت اصلی zk-SNARK و zk-STARK در نیاز به تنظیمات مورد اعتماد است؛ zk-SNARK معمولاً به آن نیاز دارد در حالی که zk-STARK نیازی به آن ندارد. zk-SNARK اثبات‌های کوچکتر و تأیید سریع‌تری دارد، اما در برابر حملات کوانتومی آسیب‌پذیرتر است. zk-STARK در برابر حملات کوانتومی مقاوم‌تر است، اما اثبات‌های بزرگ‌تری تولید می‌کند.

• آیا zk-SNARK امنیت را افزایش می‌دهد؟

بله، zk-SNARK با امکان تأیید اطلاعات بدون افشای داده‌های حساس، سبب افزایش امنیت می‌شود. با این حال، ملاحظات امنیتی مربوط به تنظیمات مورد اعتماد و آسیب‌پذیری در برابر حملات کوانتومی در برخی از ساختارها از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند. پیشرفت‌هایی نظیر Halo 2 در تلاش برای رفع این نگرانی‌ها هستند.