أهم تقنيات الخصوصية في البلوكتشين: براهين المعرفة الصفرية وFHE وMPC وTEE وتوقيعات الحلقة

كل معاملة على البلوكتشين العام ظاهرة، افتراضياً، لأي حد يبص عليها. الأرصدة، ومبالغ التحويلات، والأطراف المقابلة بتفضل في دفتر الأستاذ المفتوح إلى الأبد. الشفافية دي هي مصدر ضمانات الثقة في البلوكتشين، لكنها كمان عبء: مفيش بنك بينشر أرصدة عملائه، ومفيش شركة عايزة منافسيها يقدروا يقروا مدفوعاتها للموردين أو كشوف مرتباتها.

تقنيات خصوصية البلوكتشين موجودة عشان تقفل الفجوة دي من غير ما تتخلى عن الخصائص اللي بتخلي السلاسل مفيدة من الأساس: قابلية التحقق، واللامركزية، وقدرة غرباء على إجراء معاملات من غير وسيط موثوق. خمس تقنيات مهيمنة على المشهد الحالي: براهين المعرفة الصفرية، والتشفير المتجانس بالكامل (FHE)، والحوسبة الآمنة متعددة الأطراف (MPC)، وبيئات التنفيذ الموثوقة (TEEs)، وتوقيعات الحلقة مع العناوين الخفية. كل واحدة تخفي جزءاً مختلفاً من المسألة، وتفترض نموذج ثقة مختلفاً، وتكلّف قدراً مختلفاً من الحوسبة. الدليل ده يشرح الخمس تقنيات، ويقارن بينها جنباً إلى جنب، ويوضح ليه الاختيار مهم لأي شخص بيبني على Web3 أو حتى بيتعلم عنه.

براهين المعرفة الصفرية

برهان المعرفة الصفرية (ZKP) بيسمح لطرف، هو المُثبت، إنه يقنع طرفاً تاني، هو المُتحقّق، إن عبارة عامة صحيحة من غير ما يكشف الشاهد الخاص المستخدم في إثباتها، ولا أي معلومة إضافية غير اللي العبارة وصحتها بيدلوا عليها أصلاً. في ادعاء زي «أنا أعرف x بحيث H(x) = y»، المُتحقّق بيشوف عادةً العبارة والقيمة العامة y؛ والمعرفة الصفرية بتحمي x. ممكن التطبيقات تخفي أجزاء من مدخلاتها العامة أو تربطها بالتزام تشفيري منفصل، لكن إخفاء العبارة نفسها مش جزء من التعريف العام لـ ZKP (Thaler، Proofs, Arguments, and Zero-Knowledge).

عشان يُعد نظام إثبات بروتوكول معرفة صفرية حقيقياً، لازم يحقق ثلاث خصائص: الاكتمال (المُتحقّق الأمين يقبل ادعاءً صحيحاً)، والسلامة (المُثبت غير الأمين ما يقدرش يخلّي مُتحقّق أمين يقبل ادعاءً كاذباً إلا باحتمال خطأ محدود يحدده نظام الإثبات)، والمعرفة الصفرية نفسها (البرهان ما يكشفش أي معرفة إضافية عن الشاهد الخاص غير اللي يترتب على العبارة العامة). البروتوكولات التفاعلية التقليدية غالباً بتستخدم التزاماً، وتحدياً من المُتحقّق، واستجابة من المُثبت. أما SNARKs وSTARKs الحديثة غير التفاعلية، فبتجمع بيانات البرهان اللازمة من غير تحدٍّ مباشر من المُتحقّق، مع الحفاظ على نفس الأهداف العامة للاكتمال والسلامة والمعرفة الصفرية.

ما الذي يخفيه؟ الشاهد الخاص، زي البيانات السرية أو مدخلات الحساب الخاص. العبارة العامة والمدخلات العامة بتفضل ظاهرة، إلا لو التطبيق أخفاها أو ربطها بالتزام تشفيري بشكل منفصل.

كيف يُستخدم اليوم؟ الـ ZK-rollups هي أكبر استخدام إنتاجي لبراهين ZKP في توسيع البلوكتشين. هي «تجمع (أو تكدّس) المعاملات في دفعات تُنفّذ خارج السلسلة»، ثم تنشئ برهان صلاحية واحداً تتحقق منه Ethereum قبل تثبيت تغييرات حالة الدفعة (ethereum.org). ‏zkSync Era، التي بنتها Matter Labs، هي «ZK Rollup متوافقة مع EVM... ومدعومة بـ zkEVM الخاصة بها» (ethereum.org). أما Starknet، التي بنتها StarkWare، فهي rollup صلاحية تشغّل Cairo VM الخاصة بها بدلاً من EVM، وتُربط عقود Solidity بها على نحو منفصل. ويتتبع L2BEAT كليهما باعتبارهما rollups محمية ببراهين الصلاحية، لا بنافذة الطعن ببراهين الاحتيال التي تستخدمها optimistic rollups (l2beat.com). وعلى جانب الخصوصية، كانت Zcash من أوائل من استخدم zk-SNARKs ‏(Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Arguments of Knowledge) للمعاملات المحمية؛ فتظل «عناوين المستخدمين، ومبلغ معاملاتهم» وتفاصيل أخرى مشفرة، بينما تؤكد الشبكة أن المعاملة صالحة (z.cash).

المفاضلة: توليد برهان ZK مكلف حسابياً، لأن دوائر الإثبات تمر على كل معاملة في الدفعة وتعيد تنفيذ فحوصاتها؛ لذلك زمن الإثبات وتكلفة العتاد قيود فعلية، رغم أن التحقق على السلسلة رخيص وسريع. الأمان بيعتمد على الافتراضات التشفيرية لنظام الإثبات، وتوليد المعلمات بصورة آمنة، والتنفيذ الصحيح للدوائر والبروتوكول؛ وفي بعض الأنظمة يشمل كمان مراسم إعداد موثوقة لمرة واحدة. وبتوضح وثائق Ethereum إن المساس بعشوائية الإعداد ممكن يسمح بإنتاج براهين زائفة، وإن أخطاء التنفيذ ممكن تضعف نموذج الأمان (ethereum.org).

التشفير المتجانس بالكامل (FHE)

التشفير المتجانس بالكامل يتبع نهجاً مختلفاً: بدلاً من إثبات حقيقة عن بيانات مخفية، يتيح لك أن تحسب مباشرة على البيانات المشفرة وتحصل على نتيجة مشفرة تُفك إلى نفس الإجابة التي ستحصل عليها لو حسبت على النص الصريح. وتصفه Zama، وهي من الشركات الرائدة في أبحاث وبنية FHE التحتية، كالتالي: «تتيح FHE معالجة البيانات من دون فك التشفير؛ فتقدم الشركات خدمات من دون الوصول إلى بيانات المستخدمين، بينما تظل الوظائف التي يختبرها المستخدمون كما هي» (zama.org).

ما الذي يخفيه؟ المدخلات الخام، والحالة الوسيطة، ومخرجات الحساب؛ لا يرى أحد غير حامل المفتاح سوى النص المشفر، حتى الطرف الذي يجري الحساب.

كيف يعمل على مستوى عالٍ؟ ترمّز مخططات FHE قيم النص الصريح إلى نصوص مشفرة مبنية على رياضيات الشبكات، ثم تعرّف نظائر مشفرة للجمع والضرب حتى يمكن تشغيل دوائر عامة على النصوص المشفرة. وعند تطبيق ذلك على بلوكتشين، يعني أن العقد الذكي يقدر ينقل رموزاً أو يقيّم منطقاً من غير ما يرى المبالغ المعنية إطلاقاً؛ وكما يشرح مثال Zama: «تحقق البلوكتشين من أن Alice تملك رصيداً كافياً من دون أن ترى المبالغ الفعلية أبداً» (zama.org). وتشير Zama أيضاً إلى أن مخططات FHE المبنية على الشبكات «مقاومة بطبيعتها للحوسبة الكمّية»، وده مهم لأي حد بيفكر على المدى الطويل في المخاطر التشفيرية (zama.org).

مشروعات نموذجية: تبني Zama مكتبات FHE مفتوحة المصدر (TFHE-rs وConcrete) وfhEVM المستخدمة لإضافة تنفيذ سري للعقود الذكية إلى سلاسل EVM. أما Fhenix فهي بلوكتشين بُنيت خصيصاً لكي تتيح «للمطورين بناء عقود ذكية تحافظ على الخصوصية باستخدام التشفير المتجانس بالكامل»، بحيث «تظل البيانات الحساسة مشفرة طوال الحساب»، مع مكتبة JavaScript ‏(Cofhejs) للتشفير من جهة العميل ومكتبة FHE بلغة Solidity للعمليات المشفرة على السلسلة (cofhe-docs.fhenix.zone).

المفاضلة: الضمان المميز في FHE هو إن الحسابات المدعومة تقدر تشتغل من غير فك تشفير المدخلات أو القيم الوسيطة، لكن أمانها الفعلي بيفضل معتمد على المخطط واختيار المعلمات؛ وعشان كده بتنشر HomomorphicEncryption.org جداول أمان خاصة بكل مخطط وإرشادات لاختيار المعلمات (HomomorphicEncryption.org). وهي كمان الأغلى حسابياً في القائمة بفارق كبير عن تنفيذ النص الصريح. لذلك تشغّل السلاسل المعتمدة على FHE اليوم المنطق الحاسم للسرية، لا كل معاملة، ولهذا يظل تسريع FHE بالعتاد سباق بحث نشطاً.

الحوسبة الآمنة متعددة الأطراف (MPC)

الحوسبة الآمنة متعددة الأطراف تحل مشكلة قريبة لكن مختلفة: بدلاً من أن يحسب طرف واحد على بيانات مشفرة، تحسب عدة أطراف، يملك كل منها جزءاً خاصاً من الإدخال، دالةً بصورة مشتركة من دون أن يكشف أي منهم مدخلاته الفردية للآخرين. ووفق التعريف الرسمي، MPC هي «فرع من التشفير هدفه ابتكار طرق تمكّن الأطراف من حساب دالة على مدخلاتهم بصورة مشتركة مع إبقاء تلك المدخلات خاصة»، بحيث يمكن لثلاثة مشاركين، «Alice وBob وCharlie، أن يتعلموا F(x, y, z) من دون كشف من الذي ينتج ماذا» (Wikipedia).

ما الذي يخفيه؟ الإدخال الفردي لكل طرف عن كل الأطراف الأخرى؛ لا تظهر إلا النتيجة المتفق عليها، ولا يرى أي مشارك منفرد السر كاملاً أبداً.

افتراض الثقة: مفيش عتبة فساد واحدة تنطبق على كل بروتوكولات MPC. في نتيجة BGW الكلاسيكية لشبكة كاملة، بتتحقق الخصوصية ضد الأعطال السلبية عند t < n/2، بينما بتتحقق المتانة ضد الأعطال البيزنطية عند t < n/3 (ACM). الحدود دي بتوصف نموذج البروتوكول ده، مش كل MPC: البروتوكولات ذات الأمان الكامل ممكن توصل إلى t < n/2 لما يكون البث مفترضاً (TCC 2021)، بينما بروتوكول SPDZ الحسابي بيوفر أماناً نشطاً حتى مع فساد n - 1 من الأطراف في نموذج المعالجة المسبقة الخاص به (IACR). ضمان الأغلبية غير الأمينة هنا هو أمان مع إمكانية الإيقاف؛ يعني إن طرفاً فاسداً يقدر يوقف الحساب، ومش ضمان للإنصاف أو لخروج النتيجة (PoPETs). لذلك أي تطبيق فعلي لازم يحدد البروتوكول، ونموذج الفساد السلبي أو النشط، وافتراضات التزامن والقنوات والإعداد، بما فيها البث، وهل بيفترض أغلبية أمينة ولا غير أمينة.

كيف تُستخدم اليوم، في الحفظ بتوقيع العتبة: أبرز تطبيق للـ MPC في البلوكتشين هو توزيع مفتاح خاص على أطراف مستقلة بحيث لا يحتفظ جهاز أو شخص واحد بالمفتاح كله. يصف مزود بنية الحفظ Fireblocks ذلك مباشرة: «الحوسبة متعددة الأطراف (MPC) أسلوب تشفيري يقسم مفتاحاً خاصاً إلى حصص منفصلة موزعة على أطراف مستقلة متعددة»، والأهم أن «المفتاح الكامل لا يُجمع في مكان واحد أبداً، في أي وقت» (fireblocks.com). عندما تحتاج معاملة إلى توقيع، تتحقق مجموعة نصاب من نقاط النهاية من المعاملة، وتساهم كل منها بتوقيع جزئي؛ «لا يُجمع المفتاح الخاص في أي وقت»، ولذلك «حتى لو تعرضت نقطة نهاية واحدة للاختراق... تظل حصص المفتاح الموجودة في أماكن أخرى عديمة الفائدة وحدها» (fireblocks.com). ونمط توقيع العتبة ده يدعم حالياً معظم حفظ العملات المشفرة المؤسسي وكثيراً من المحافظ متعددة الموقّعين.

المفاضلة: تتجنب MPC نقطة الفشل الوحيدة المتمثلة في مفتاح خاص واحد على جهاز واحد، لكنها تضيف جولات تواصل بين الأطراف، أي زمن استجابة، وتتطلب تصميماً دقيقاً للبروتوكول. ضمانها ما يكونش أقوى من الافتراضات التشفيرية وافتراضات الفساد والشبكة في البروتوكول المختار، ولا من الاستقلال التشغيلي للأطراف؛ MPC تقدر تلغي وجود حامل واحد للمفتاح، لكن ما تلغيش الثقة من تصميم النظام نفسه.

بيئات التنفيذ الموثوقة (TEEs)

بيئة التنفيذ الموثوقة تسلك طريقاً آخر: بدلاً من تشفير البيانات طوال الحساب، تعزل الحساب داخل منطقة من الشريحة محمية بالعتاد، وهي حاوية آمنة، لا يستطيع حتى نظام تشغيل الآلة نفسه فحصها. وتصف Wikipedia ‏Intel SGX ‏(Software Guard Extensions)، وهو أشهر تنفيذ، بأنه «مجموعة من تعليمات برمجية تنفذ بيئة تنفيذ موثوقة ومدمجة في بعض وحدات المعالجة المركزية (CPU) من Intel» (Wikipedia). ومن الناحية العملية، «تتضمن SGX تشفير المعالج لجزء من الذاكرة، أي الحاوية»، ولذلك «يُفك تشفير البيانات والشيفرة القادمة من الحاوية تلقائياً داخل CPU، ما يحميها من الفحص أو القراءة بواسطة شيفرة أخرى»، بما فيها «الشيفرة التي تعمل عند مستويات امتياز أعلى مثل نظام التشغيل وأي hypervisors كامنة» (Wikipedia).

ما الذي تخفيه؟ البيانات والشيفرة داخل الحاوية عن كل عملية أخرى على الآلة نفسها، بما في ذلك نظام تشغيل مخترق؛ وده مفيد عندما تحتاج أن تثق في تنفيذ جزء محدد من الشيفرة من غير ما تثق في مشغّل الخادم.

افتراض الثقة: التقسيم مش بين «رياضيات بحتة» في ZKP وFHE وMPC وبين ثقة في المورّد وحده في TEE. الأنظمة التشفيرية المطبقة بتعتمد هي كمان على افتراضات الصعوبة المعلنة، والمعلمات أو الإعداد، وصحة التنفيذ، وفي حالة MPC على نموذج المشاركين والاتصال في البروتوكول. وTEE بتضيف إلى نموذج الثقة ده عزلاً مدعوماً بالعتاد وإثباتاً للهوية البرمجية. تعرّف Intel قاعدة الحوسبة الموثوقة في SGX بأنها العتاد، وبرمجيات CPU الثابتة، وبرمجيات المنصة اللازمة لتحقيق أهداف أمان SGX؛ وبيسمح إثبات الهوية للطرف المعتمد إنه يقيّم هوية الحاوية ومستوى تحديثات المنصة (Intel). واختُبر حد الثقة ده فعلاً: فـ SGX «لا تحمي من هجمات القنوات الجانبية»، وقد أثبت الباحثون مراراً اختراقات عملية، من استخراج «مفاتيح RSA من حاويات SGX تعمل على النظام نفسه خلال خمس دقائق» عام 2017، إلى هجوم Foreshadow الذي «يجمع بين التنفيذ التخميني وتجاوز سعة الذاكرة لتخطي SGX» عام 2018، إضافة إلى ثغرات لاحقة منها Plundervolt وLVI وSGAxe وÆPIC Leak (Wikipedia). ولهذا تُوصف TEEs غالباً بأنها حل عملي وأسرع في المنتصف، لا كضمان محكم تشفيرياً.

مشروعات نموذجية: تشغّل شبكة Sapphire التابعة لـ Oasis Protocol عقوداً ذكية داخل حاويات عتادية، بحيث يمكن للمستخدمين «تشغيل الشيفرة داخل حاويات محمية بالعتاد» وتبقى فيها «البيانات مشفرة حتى أمام مشغلي الخوادم»، فيما «ينتج كل تنفيذ برهاناً تشفيرياً يستطيع المستخدمون التحقق منه من دون ثقة عمياء». والنتيجة «عقود ذكية سرية» تحافظ على «التوافق مع EVM وقابلية التركيب» (oasis.net). وتبني Secret Network وعدة منتجات خصوصية مرتبطة بـ restaking على TEEs أيضاً، وغالباً ما تجمعها بتقنيات أخرى لتحقيق دفاع متعدد الطبقات.

المفاضلة: تعمل TEEs بسرعة قريبة من السرعة الأصلية، أسرع كثيراً من FHE أو إثبات ZK الثقيل، وده يجعلها جذابة للتطبيقات الحساسة لزمن الاستجابة. لكن السرعة دي بتيجي مع قاعدة حوسبة موثوقة أوسع، تشمل العتاد والبرمجيات، وليها تاريخ حقيقي وموثق من اختراقات القنوات الجانبية. فالمقارنة هنا بين افتراضات مختلفة على مستوى النظام، مش بين الثقة في العتاد و«تشفير بحت» من غير افتراضات.

توقيعات الحلقة والعناوين الخفية

يحمي الزوج الأخير من التقنيات هدفاً أضيق لكنه عملي جداً: إخفاء من أرسل معاملة ومن استلمها، رغم أن المعاملة نفسها ظاهرة على السلسلة. تمثل Monero أبرز مثال إنتاجي على الاثنين.

توقيعات الحلقة تخفي المُرسل. وتشرح وثائق Monero نفسها أن «توقيع الحلقة هو نوع من التوقيع الرقمي يمكن لأي عضو في مجموعة مستخدمين يملك كل منهم مفاتيح أن ينفذه»، وأنه «ينبغي أن يكون من غير الممكن حسابياً تحديد أي مفتاح من مفاتيح أعضاء المجموعة استُخدم لإنتاج التوقيع» (getmonero.org). عملياً، تخلط معاملة Monero مفتاح المنفق الحقيقي مع مفاتيح عامة حقيقية تُستخدم كطُعم «تُسحب من البلوكتشين باستخدام أسلوب توزيع غاما»، بحيث «في حلقة من الموقّعين المحتملين، يكون كل أعضاء الحلقة متساوين وصالحين»، و«لا توجد طريقة تمكّن مراقباً خارجياً من معرفة أي موقّع محتمل في مجموعة التوقيع ينتمي إلى حسابك» (getmonero.org).

العناوين الخفية تخفي المستلم. بدلاً من إعادة استخدام عنوان عام واحد، «ينشئ المُرسل عناوين عشوائية لمرة واحدة لكل معاملة نيابة عن المستلم»، فتذهب المدفوعات الواردة «إلى عناوين فريدة على البلوكتشين، لا يمكن ربطها بعنوان المستلم المعلن ولا بعناوين أي معاملات أخرى» (getmonero.org). يستخدم المستلم مفتاح عرض خاصاً لمسح السلسلة بحثاً عن المدفوعات ومفتاح إنفاق خاصاً لتحريكها، ولذلك «لا يستطيع تحديد مكان إرسال الدفعة إلا المُرسل والمستلم» (getmonero.org).

ما الذي يخفيه؟ هوية المرسل، بتوقيعات الحلقة، وهوية المستلم، بالعناوين الخفية؛ أما مبالغ المعاملة فتخفيها آلية منفصلة، هي Confidential Transactions / RingCT، ولا تغطيها هاتان التقنيتان وحدهما.

المفاضلة: تعمل التقنيتان بكفاءة على عتاد عادي، من دون عبء إثبات أو اعتماد على حاوية، ما يجعلهما مناسبتين لشبكة مدفوعات حية. لكن نموذج الثقة يعتمد على ألا يمكن تمييز مجموعات الطعوم إحصائياً عن الموقّع الحقيقي؛ فاختيار الطعوم الضعيف أو أساليب تحليل البلوكتشين قلّصت تاريخياً مجموعات إخفاء الهوية في تطبيقات توقيعات الحلقة المبكرة. لذلك تهم اختيارات المعلمات، مثل حجم الحلقة وتوزيع الطعوم، بقدر أهمية البدائية نفسها.

مقارنة بين الأساليب الخمسة

لا توجد تقنية واحدة تفوز في كل محور؛ ولذلك يجمع البحث الحالي بينها بصورة متزايدة، مثل استخدام براهين ZK للتحقق من صحة حساب MPC، أو استخدام TEEs بجوار FHE للدفاع متعدد الطبقات.

ما علاقة هذا بالنطاقات المرمّزة؟

ترث النطاقات المرمّزة خاصية الشفافية الافتراضية نفسها التي يمتلكها أي أصل آخر على السلسلة: تحويلات الملكية، والمزايدات، وتحديثات البيانات الوصفية كلها قابلة للقراءة علناً. هذه ميزة في أغلب الأحيان؛ فأصل الملكية وتاريخها هما بالضبط ما يجعلان النطاق المرمّز أصلاً جديراً بالثقة للتداول. لكنه يعني أيضاً أن ممتلكات محفظة النطاقات وأسعار مبيعاتها ظاهرة لأي شخص يراقب السلسلة.

تشير تقنيات الخصوصية في هذا الدليل إلى الوجهة التالية المحتملة لبنية النطاقات بصفتها NFT: فالحفظ بالعتبة المعتمد على MPC يؤمّن بالفعل المحافظ المؤسسية التي تحتفظ بـ NFT الخاصة بالنطاقات كما يؤمّن الأصول الرقمية الأخرى؛ وقد تتيح براهين ZK في النهاية لمزايد أن يثبت قدرته على دفع عرض من غير أن يكشف رصيده كاملاً؛ كما قد تتيح تقنيات الحساب السري لمسجل نطاقات أو سوق التحقق من قواعد الأهلية من غير كشف هوية المشتري كاملة. لا يُطبَّق أيٌّ من ذلك في ترميز النطاقات اليوم، لكن البدائيات الأساسية نفسها هي التي تؤمّن مليارات الدولارات في بنية DeFi والحفظ حالياً.

المصادر وقراءات إضافية

• براهين المعرفة الصفرية — ethereum.org
• البراهين والحُجج والمعرفة الصفرية — Justin Thaler
• ZK-Rollups — ethereum.org
• ملخص التوسّع من L2BEAT
• نظرة عامة على تقنية Zcash
• مقدمة إلى التشفير المتجانس — Zama
• إرشادات الأمان — HomomorphicEncryption.org
• وثائق cofhe من Fhenix
• الحوسبة الآمنة متعددة الأطراف — Wikipedia
• نظريات الاكتمال للحوسبة الموزعة المتحملة للأخطاء غير التشفيرية — ACM
• حوسبة آمنة تماماً بكفاءة — TCC 2021
• الحوسبة متعددة الأطراف باستخدام تشفير متجانس جزئياً (SPDZ) — IACR
• توسيع أمان SPDZ بالإنصاف — PoPETs
• ما هي MPC؟ — Fireblocks
• Software Guard Extensions ‏(SGX) — Wikipedia
• التفاصيل التقنية لإثبات Intel SGX
• تقنية Oasis Protocol
• توقيعات الحلقة — Moneropedia من Monero
• العناوين الخفية — Moneropedia من Monero