نظرًا لعدم تقديمك لأي قائمة بالصور، لا يمكنني إدراج الصور في النص. فيما يلي محتوى النص الأصلي، دون أي تعديل:

دراسة حول تطوير وتطبيق تقنية إثبات المعرفة الصفرية في مجال blockchain

ملخص

تُعتبر تقنية إثبات عدم المعرفة (ZKP) واحدة من أهم الابتكارات في مجال blockchain، كما أنها نقطة جذب رئيسية لرؤوس الأموال المغامرة. يقدم هذا المقال مراجعة شاملة لتاريخ ZKP الذي يمتد لأربعة عقود وأحدث التطورات.

تم تقديم المفاهيم الأساسية والخلفية التاريخية لـ ZKP أولاً. تم تحليل تكنولوجيا ZKP المعتمدة على الدوائر بشكل مكثف، بما في ذلك تصميم وتطبيق وتحسين نماذج مثل zkSNARK و Ben-Sasson و Pinocchio و Bulletproofs و Ligero. في سياق البيئة الحاسوبية، تم تقديم ZKVM و ZKEVM، واستكشاف كيف يمكن أن تعزز القدرة على معالجة المعاملات، وتحمي الخصوصية، وتحسن كفاءة التحقق. كما تم تقديم ZK Rollup كآلية عمل لحلول التوسع Layer 2 وطرق تحسينها، بالإضافة إلى التقدمات الأخيرة في تسريع الأجهزة، والحلول المختلطة، و ZK EVM المخصصة.

أخيرًا، تم استعراض المفاهيم الناشئة مثل ZKCoprocessor وZKML وZKThreads وZK Sharding وZK StateChannels، ومناقشة إمكانياتها في مجال قابلية توسيع blockchain، والتشغيل المتداخل، وحماية الخصوصية.

من خلال تحليل هذه التقنيات والاتجاهات، يقدم هذا المقال نظرة شاملة لفهم وتطبيق ZKP، ويظهر إمكانياته الكبيرة في تعزيز كفاءة وأمان أنظمة البلوكشين، مما يوفر مرجعًا هامًا لقرارات الاستثمار المستقبلية.

الفهرس

مقدمة

أ. المعرفة الأساسية لإثبات عدم المعرفة

1. الملخص
2. مثال على إثبات المعرفة الصفرية

الثانية، إثبات المعرفة الصفرية غير التفاعلي

1. الخلفية
2. طرح NIZK
3. تحويل فيات-شامير
4. ينس جروث وأبحاثه
5. دراسات أخرى

ثالثًا، إثبات المعرفة الصفرية القائم على الدوائر

1. الخلفية
2. المفاهيم الأساسية وخصائص نموذج الدائرة
3. تصميم الدوائر واستخدامها في إثبات المعرفة الصفرية
4. العيوب والتحديات المحتملة

الرابع، نموذج إثبات المعرفة الصفرية

1. الخلفية
2. نماذج الخوارزميات الشائعة 3.方案 المستندة إلى PCP الخطي ومشكلة اللوغاريتمات المنفصلة
3. خطة قائمة على إثبات الأشخاص العاديين
4. إثبات المعرفة الصفرية القابلة للتحقق بناءً على الاحتمالات
5. تصنيف مرحلة الإعداد القائم على CPC

خمسة، نظرة عامة على آلة المعرفة الصفرية وتطورها

1. الخلفية
2. تصنيف ZKVM الحالي
3. نمط الواجهة الأمامية والواجهة الخلفية
4. مزايا وعيوب نمط ZKVM

٦. نظرة عامة على تطوير آلة إفتراضية إيثريوم ذات المعرفة الصفرية

1. الخلفية
2. كيفية عمل ZKEVM
3. عملية تنفيذ ZKEVM
4. ميزات ZKEVM

سبعة، نظرة عامة على خطة الشبكة من الطبقة الثانية المعتمدة على المعرفة الصفرية وتطورها

1. الخلفية
2. آلية عمل ZK Rollup
3. عيوب ZK Rollup والتحسينات

ثمانية، اتجاهات التطوير المستقبلية لإثباتات المعرفة الصفرية

1. تسريع تطوير بيئة الحوسبة
2. تقديم وتطوير ZKML
3. تطورات تقنية توسيع ZKP
4. تطوير التشغيل المتداخل لـ ZKP

التاسع، الاستنتاج

المراجع

المقدمة

مع قدوم عصر Web3, تتطور تطبيقات blockchain (DApps) بسرعة, حيث تعالج عشرات المليارات من المعاملات يومياً. عادةً ما تحتوي هذه المعاملات على كميات كبيرة من البيانات التي تتضمن معلومات شخصية حساسة. بسبب انفتاح وشفافية blockchain, فإن هذه البيانات متاحة للجميع, مما أثار العديد من القضايا المتعلقة بالأمان والخصوصية.

توجد حاليًا عدة تقنيات تشفير يمكنها مواجهة هذه التحديات، بما في ذلك التشفير المتجانس، والتوقيعات الدائرية، والحسابات الآمنة متعددة الأطراف، وإثباتات عدم المعرفة. من بين هذه، تُعتبر إثباتات عدم المعرفة حلاً أكثر شمولاً، حيث تسمح بالتحقق من صحة بعض العبارات دون الكشف عن أي بيانات وسيطة. من خلال ZKP، يمكن للمتحقق التحقق من ما إذا كان المُثبت يمتلك ما يكفي من بيانات المعاملات دون تسريب أي بيانات معاملات خاصة.

تُمثل خاصية ZKP دورًا محوريًا في معاملات blockchain وتطبيقات العملات المشفرة، خاصةً في مجالات حماية الخصوصية وتوسيع الشبكات، مما جعلها محورًا للبحث الأكاديمي وقطاع استثماري رئيسي. مع تطور مشاريع مثل ZkSync وStarkNet، تظهر ابتكارات خوارزميات ZKP بشكل متزايد، حيث يُقال إنه يتم إصدار خوارزمية جديدة تقريبًا كل أسبوع. بالإضافة إلى ذلك، يتقدم تطوير الأجهزة المتعلقة بـ ZKP بسرعة، بما في ذلك الرقائق المخصصة لتحسين ZKP.

تشير هذه التطورات إلى أن ZKP ليست فقط إنجازًا مهمًا في مجال علم التشفير، ولكنها أيضًا القوة الدافعة الرئيسية لتحقيق تطبيقات أوسع لتكنولوجيا blockchain. لذلك، قررنا تنظيم المعرفة ذات الصلة بـ ZKP بشكل منهجي، لمساعدة قرارات الاستثمار المستقبلية بشكل أفضل. يوفر هذا المقال مراجعة شاملة للأوراق الأكاديمية الأساسية والمشاريع الرائدة المتعلقة بـ ZKP، مما يوفر أساسًا قويًا للكتابة.

١. أساسيات إثبات المعرفة الصفرية

1. نظرة عامة

في عام 1985، قدم Goldwasser وMicali وRackoff مفهوم إثباتات المعرفة الصفرية (ZKP) وإثباتات المعرفة التفاعلية (IZK) لأول مرة. وقد عرفوا "المعرفة" بأنها "مخرج غير قابل للحساب"، أي يجب أن تكون المعرفة مخرج دالة معقدة، وعادة ما يمكن فهمها على أنها مشكلة NP. إن عملية حل مشاكل NP معقدة، لكن عملية التحقق بسيطة، مما يجعلها مناسبة جداً للتحقق من ZKP.

قدم Goldwasser وآخرون مفهوم "تعقيد المعرفة" لقياس كمية المعرفة التي يكشفها المُثبت للمدقق. كما اقترحوا نظام إثبات تفاعلي (IPS)، حيث يتفاعل المُثبت والمدقق عبر عدة جولات لإثبات صحة بيان معين.

تشمل الخصائص الأساسية الثلاث لـ ZKP:

1. الاكتمال: إذا كان الدليل حقيقيًا، يمكن للمثبت الصادق إقناع المدقق الصادق بهذه الحقيقة.

2. الاعتمادية: إذا كان المدعي لا يعرف محتوى البيان، فلا يمكنه إلا أن يخدع المدققين باحتمالية ضئيلة.

3. الخصوصية: بعد اكتمال عملية الإثبات، يحصل المُتحقِّق فقط على معلومات "المُثبت يمتلك هذه المعرفة"، ولا يمكنه الحصول على أي محتوى إضافي.

2. مثال على الإثباتات صفر المعرفة

فيما يلي مثال للتحقق مما إذا كان المُثبت يمتلك بعض المعلومات السرية، مقسماً إلى ثلاث مراحل: الإعداد، التحدي، والرد.

الخطوة الأولى: الإعداد

يخلق المدعي دليلًا يثبت أنه يعرف الرقم السري s ، لكنه لا يظهر s مباشرة.

اختر عددين أوليين كبيرين p و q، واحسب N = pq. احسب v = s^2 mod N، ثم أرسل v إلى المُصادق. اختر عدد صحيح عشوائي r، احسب x = r^2 mod N ثم أرسله إلى المدقق.

الخطوة الثانية: التحدي

يختار المدقق موقعًا عشوائيًا a(0 أو 1) ويرسله إلى المثبت.

الخطوة الثالثة: الاستجابة

استجابة المصدق بناءً على قيمة a:

إذا كان a=0، يرسل المدقق y=r. إذا كان a=1، يقوم المُبرهن بحساب y=rs mod N ويرسلها.

المدقق يتحقق من أن y^2 mod N تساوي xa^v mod N بناءً على y المستلم. إذا كانت المعادلة صحيحة، يقبل المدقق هذه الإثبات.

تُثبت هذه الحالة سلامة وموثوقية ونظام المعرفة صفر (ZKP).

٢. الإثباتات الصفرية غير التفاعلية

1. الخلفية

عادةً ما تتطلب ZKP التقليدية عدة تفاعلات لإكمال المصادقة. ومع ذلك، في بعض السيناريوهات، مثل المعاملات الفورية أو التصويت، غالبًا ما لا تكون هناك فرصة لإجراء تفاعلات متعددة، خاصةً في تطبيقات blockchain، حيث تصبح وظيفة التحقق خارج الخط أكثر أهمية.

2. تقديم NIZK

في عام 1988، قدم بلوم وفيلدمان وميكالي مفهوم إثبات المعرفة الصفرية غير التفاعلي (NIZK) لأول مرة، حيث أثبتوا أنه يمكن للموثق والمتحقق إكمال عملية المصادقة دون الحاجة إلى تفاعلات متعددة. يمكن تقسيم NIZK إلى ثلاث مراحل: الإعداد والحساب والتحقق.

تستخدم مرحلة الإعداد دالة حسابية لتحويل المعلمات الأمنية إلى معرفة عامة، وعادة ما يتم ترميزها في سلسلة مرجعية مشتركة (CRS). تعتمد مرحلة الحساب على دالة حسابية، ومدخلات ومفاتيح إثبات، وتخرج النتيجة الحسابية والإثبات. في مرحلة التحقق، يتم التحقق من صحة الإثبات من خلال مفتاح التحقق.

3. تحويل فيات-شامير

تحويل فيات-شامير هو طريقة لتحويل إثبات المعرفة الصفري التفاعلي إلى غير تفاعلي. تقوم هذه الطريقة بتقليل عدد التفاعلات من خلال إدخال دالة تجزئة، وتعتمد على فرضيات الأمان لضمان صحة الإثبات وصعوبة تزويره. على الرغم من أن هذه البروتوكولات تُعتبر آمنة في نموذج الأوراكل العشوائي، إلا أنها قد تواجه تحديات في التطبيقات العملية.

4. ينس غروث وأبحاثه

لقد ساهمت أبحاث ينس غروث بشكل كبير في تعزيز تطبيق ZKP في علم التشفير وتقنية البلوكشين. لقد قدم أول نظام NIZK مثالي قابل للتطبيق على أي لغة NP، وصمم نظام NIZK بسيط وفعال، مما قلل بشكل كبير من حجم CRS والإثبات. كما استكشف غروث كيفية دمج التشفير المتجانس الكامل مع NIZK، واقترح خطة لتقليل تكاليف الاتصال.

5. دراسات أخرى

في سيناريوهات تطبيق محددة، أظهرت NIZK لمحققين محددين قيمة عملية فريدة. على سبيل المثال، كانت خطة تشفير المفتاح العام التي طورها كرامر وشوب فعالة في التصدي لهجمات النصوص الانتقائية. قدم دامغارد وآخرون طريقة جديدة لتحسين تحويل فيات-شامير، مما يسمح بإجراء NIZK دون الحاجة إلى تفاعل مباشر. مفهوم "الموثوقية القابلة للتوجيه الضعيفة" الذي قدمه فنتري وفيزكونتي زاد من صعوبة الاحتيال. تحويل أونروه هو بديل لتحويل فيات-شامير، ويوفر NIZK آمنًا قابلًا للإثبات ضد الخصوم الكميين في نموذج العرافة العشوائية.

٣. إثبات المعرفة الصفرية القائم على الدوائر

1. الخلفية

في مجال التشفير، وخاصة عند التعامل مع المهام الحسابية التي تتطلب توازناً عالياً وأنواعاً محددة من المهام الحسابية، تظهر نماذج آلات تورين التقليدية بعض القيود. بالمقابل، فإن نموذج الدوائر بفضل هيكله الحسابي الفريد، أكثر ملاءمة لبعض المهام المحددة في معالجة التشفير.

2. المفاهيم الأساسية وخصائص نموذج الدائرة

نموذج الدائرة يحول عملية الحساب إلى سلسلة من البوابات والأسلاك، حيث تقوم هذه البوابات بتنفيذ عمليات منطقية أو حسابية معينة. تنقسم نماذج الدوائر بشكل رئيسي إلى فئتين رئيسيتين:

1. الدوائر الحسابية: تتكون بشكل رئيسي من بوابات الجمع والضرب، وتستخدم لمعالجة العناصر في الحقل المحدود.
2. الدوائر المنطقية: تتكون من بوابات منطقية أساسية مثل بوابة AND، وبوابة OR، وبوابة NOT، وتستخدم لمعالجة العمليات البوليانية.

3. تصميم الدوائر واستخدامها في إثباتات المعرفة الصفرية

في نظام ZKP، تتضمن عملية تصميم الدائرة التعبير عن المشكلة المراد إثباتها في شكل دائرة. عادةً ما تتبع عملية التصميم الخطوات التالية:

1. تمثيل المشكلة: تحويل المشكلة المراد إثباتها إلى شكل دائرة كهربائية.
2. تحسين الدائرة: تحسين تصميم الدائرة من خلال تقنيات مثل دمج البوابات وطي الثوابت.
3. تحويل إلى تمثيل متعدد الحدود: تحويل الدائرة المحسنة إلى شكل متعدد الحدود.
4. توليد سلسلة مرجعية عامة (CRS): توليد CRS بما في ذلك مفتاح الإثبات ومفتاح التحقق.
5. توليد وإثبات البرهان: يقوم الإثبات بناءً على المدخلات الخاصة وCRS بتوليد البرهان، بينما يقوم المُحقق بالتحقق من صحة البرهان بناءً على وصف الدائرة العامة وCRS.

4. العيوب والتحديات المحتملة

تواجه ZKP المعتمدة على الدوائر التحديات التالية:

1. تعقيد وحجم الدائرة: تتطلب الحسابات المعقدة دوائر ضخمة، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في تكاليف حساب توليد وإثبات.
2. صعوبة التحسين: تصميم وتحسين الدوائر الكهربائية الفعالة يتطلب معرفة عميقة بالتخصص.
3. ملاءمة المهام الحسابية المحددة: تتطلب المهام الحسابية المختلفة تصاميم دوائر مختلفة، مما يجعل من الصعب تعميمها.
4. صعوبة تنفيذ خوارزميات التشفير: قد يتطلب تنفيذ خوارزميات تشفير معقدة عددًا كبيرًا من بوابات المنطق.
5. استهلاك الموارد: تتطلب الدوائر الكبيرة موارد أجهزة كبيرة، وقد تواجه عقبات في التنفيذ الفعلي للأجهزة.

تشمل الحلول والاتجاهات التحسينية: تقنية ضغط الدوائر، التصميم المعياري، وتسريع الأجهزة.

أربعة، نموذج إثبات المعرفة الصفرية

1. الخلفية

تتميز ZKP المعتمدة على الدوائر بعمومية ضعيفة، مما يتطلب تطوير نماذج وخوارزميات جديدة لمشكلات محددة. توجد حاليًا مجموعة متنوعة من مجمعات اللغات العالية المستوى وأدوات التركيب المنخفضة المستوى لتوليد الدوائر وتصميم الخوارزميات، ويمكن إتمام تحويل الحسابات ذات الصلة من خلال أدوات بناء الدوائر اليدوية أو المجمعات التلقائية.

2. نماذج الخوارزميات الشائعة

1. نموذج zkSNARK: تم اقتراحه من قبل Bitansky وآخرين، كاختصار لـ "إثبات المعرفة غير التفاعلي الموجز ذو المعرفة الصفرية".

2. نموذج بن-ساسون: نموذج zkSNARK جديد لتنفيذ برامج بنية RISC الخاصة بفون نويمان.

3. نموذج بينوكيو: مجموعة كاملة من أدوات توليد الإثباتات المعرفية الصفرية غير التفاعلية، تتضمن مخصصًا متقدمًا.

4. نموذج Bulletproofs: لا يتطلب إعداد موثوق، وحجم الإثبات ينمو بشكل لوغاريتمي مع حجم قيمة الشهادة.

5. نموذج Ligero: نموذج خفيف الوزن لـ ZKP، حيث ترتبط تعقيدات الاتصال بحجم دائرة التحقق بشكل متناسب مع الجذر التربيعي.