إثباتات المعرفة منعدمة المعرفة في TypeScript: تقنية الخصوصية مع سلامة النوع

في المشهد الرقمي اليوم، تعتبر الخصوصية ذات أهمية قصوى. كمطورين، تقع على عاتقنا مسؤولية بناء تطبيقات تحمي بيانات المستخدمين وتضمن تفاعلات آمنة. إثباتات المعرفة منعدمة المعرفة (ZKPs) هي تقنية تشفير تسمح لطرف واحد (المثبت) بإثبات لطرف آخر (التحقق) أن عبارة ما صحيحة، دون الكشف عن أي معلومات تتجاوز صحة العبارة نفسها. تُحدث هذه التكنولوجيا ثورة في مختلف الصناعات، من التمويل والرعاية الصحية إلى أنظمة التصويت وإدارة سلسلة التوريد.

يتعمق منشور المدونة هذا في عالم ZKPs، مع التركيز على تنفيذها واستخدامها مع TypeScript. توفر TypeScript، من خلال نظام النوع القوي الخاص بها، بيئة قوية لتطوير تطبيقات ZKP آمنة وموثوقة. سنستكشف المفاهيم الأساسية والأمثلة العملية ومزايا الجمع بين ZKPs وميزات سلامة النوع في TypeScript.

ما هي إثباتات المعرفة منعدمة المعرفة؟

في جوهرها، إثبات المعرفة منعدمة المعرفة هو بروتوكول بين طرفين: المثبت والتحقق. يهدف المثبت إلى إقناع المدقق بأنه يمتلك معرفة معينة أو يفي بشرط معين، دون الكشف عن المعرفة نفسها. تخيل سيناريو تريد فيه أليس أن تثبت لبوب أنها تعرف حل لغز سودوكو، دون أن تظهر له الحل. تمكنها ZKPs من فعل ذلك.

الخصائص الرئيسية لإثباتات المعرفة منعدمة المعرفة:

• اكتمال: إذا كانت العبارة صحيحة، يمكن للمثبت الصادق إقناع المدقق الصادق.
• متانة: إذا كانت العبارة خاطئة، فلا يمكن لأي مثبت إقناع المدقق الصادق.
• منعدمة المعرفة: لا يتعلم المدقق شيئًا يتجاوز صحة العبارة.

أنواع إثباتات المعرفة منعدمة المعرفة:

هناك عدة أنواع من ZKPs، لكل منها نقاط قوته وضعفه. بعض أبرزها ما يلي:

• zk-SNARKs (حجج المعرفة غير التفاعلية الموجزة منعدمة المعرفة): تُعرف بصغر حجم إثباتها وأوقات التحقق السريعة، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الموجودة على السلسلة. ومع ذلك، غالبًا ما تتطلب إعدادًا موثوقًا به.
• zk-STARKs (حجج المعرفة القابلة للتطوير والشفافة منعدمة المعرفة): توفر قابلية التوسع والشفافية بشكل أكبر، لأنها لا تتطلب إعدادًا موثوقًا به. ومع ذلك، فإنها تؤدي عمومًا إلى أحجام إثبات أكبر.
• بروتوكولات سيغما: بروتوكولات تفاعلية يمكن جعلها غير تفاعلية باستخدام الاستدلال الحركي فيات- شامير.

لماذا TypeScript لإثباتات المعرفة منعدمة المعرفة؟

توفر TypeScript العديد من المزايا لتطوير تطبيقات ZKP:

• سلامة النوع: يساعد نظام الكتابة الثابت في TypeScript في اكتشاف الأخطاء في وقت مبكر من عملية التطوير، مما يقلل من مخاطر الأخطاء ويحسن موثوقية التعليمات البرمجية. هذا أمر بالغ الأهمية عند التعامل مع خوارزميات التشفير المعقدة.
• قابلية صيانة الكود: تجعل دعم TypeScript للبرمجة الموجهة للكائنات والوحدات النمطية الكود أسهل في الفهم والصيانة والتوسيع.
• تجربة مطور محسنة: توفر TypeScript أدوات ممتازة، بما في ذلك الإكمال التلقائي وإعادة الهيكلة ودعم التصحيح، مما يعزز إنتاجية المطور.
• توافق JavaScript: تترجم TypeScript إلى JavaScript، مما يضمن التوافق مع مجموعة واسعة من الأنظمة الأساسية والمتصفحات.

إعداد بيئة تطوير TypeScript ZKP

قبل الغوص في التعليمات البرمجية، دعنا نقم بإعداد بيئة التطوير الخاصة بنا. سنحتاج إلى Node.js و npm (أو yarn) ومحرر التعليمات البرمجية مثل VS Code.

1. تثبيت Node.js و npm: قم بتنزيل وتثبيت Node.js من الموقع الرسمي (nodejs.org). يتم تضمين npm عادةً مع Node.js.
2. تثبيت TypeScript: افتح Terminal وقم بتشغيل: npm install -g typescript
3. تثبيت Circom و SnarkJS (إذا كنت تستخدم zk-SNARKs): هذه الأدوات ضرورية لتحديد وتجميع الدوائر لـ zk-SNARKs. قم بتثبيتها عالميًا باستخدام: npm install -g circom snarkjs
4. إنشاء مشروع TypeScript جديد: قم بإنشاء دليل جديد لمشروعك وتهيئة مشروع TypeScript: mkdir my-zkp-project && cd my-zkp-project && tsc --init
5. تثبيت المكتبات الضرورية: قم بتثبيت أي مكتبات أخرى مطلوبة، مثل تلك الخاصة بالتعامل مع الأرقام الكبيرة أو إجراء عمليات التشفير. على سبيل المثال: npm install snarkjs circomlib @noble/curves

مثال: zk-SNARK بسيط مع TypeScript

دعنا نوضح مثال zk-SNARK أساسي باستخدام Circom و SnarkJS. يوضح هذا المثال إثبات معرفة قيمة سرية 'x' بحيث يكون x * x * x + x == 35.

1. تحديد دائرة Circom (circuit.circom):

```circom pragma circom 2.0.0; template MyCircuit() { signal input x; signal output out; signal sqr <-- x * x; signal cube <-- sqr * x; out <== cube + x; out === 35; } component main {public: out} = MyCircuit(); ```

تحدد هذه الدائرة عملية حسابية بسيطة: `x^3 + x = 35`. الهدف هو إثبات معرفة 'x' دون الكشف عن قيمتها.

2. تجميع دائرة Circom:

استخدم مترجم Circom لإنشاء تمثيل R1CS (نظام قيود المرتبة 1) وكود WASM:

```bash circom circuit.circom --r1cs --wasm ```

3. إنشاء مفاتيح الإثبات والتحقق:

يستخدم SnarkJS لإجراء الإعداد الموثوق به وإنشاء مفاتيح الإثبات والتحقق. هام: في بيئة الإنتاج، يجب استخدام حساب متعدد الأطراف (MPC) آمن للإعداد الموثوق به لمنع الثغرات الأمنية.

```bash snarkjs powersoftau new bn128 12 powersOfTau2_12.ptau snarkjs powersoftau prepare phase2 powersOfTau2_12.ptau powersOfTau2_12_final.ptau snarkjs plonk setup circuit.r1cs powersOfTau2_12_final.ptau circuit.zkey ```

4. إنشاء الشاهد:

قم بإنشاء ملف TypeScript (على سبيل المثال، `generate_witness.ts`) لإنشاء الشاهد، والذي يحتوي على قيم جميع الإشارات في الدائرة لإدخال معين.

```typescript import { groth16 } from 'snarkjs'; import * as fs from 'fs'; async function generateWitness() { const input = { x: 3 }; // The secret value 'x' const witness = await groth16.fullProve(input, "circuit_js/circuit.wasm", "circuit.zkey"); fs.writeFileSync("witness.json", JSON.stringify(witness, null, 2)); console.log("Witness generated successfully!"); } generateWitness(); ```

قم بتثبيت `snarkjs` باستخدام npm: npm install snarkjs. بعد ذلك، قم بتشغيل ملف TypeScript: ts-node generate_witness.ts. قد تحتاج إلى تثبيت `ts-node`: npm install -g ts-node

5. إنشاء الدليل:

قم بتعديل ملف `generate_witness.ts` لإنشاء الدليل أيضًا:

```typescript import { groth16 } from 'snarkjs'; import * as fs from 'fs'; async function generateWitnessAndProof() { const input = { x: 3 }; // The secret value 'x' const { proof, publicSignals } = await groth16.fullProve(input, "circuit_js/circuit.wasm", "circuit.zkey"); fs.writeFileSync("proof.json", JSON.stringify(proof, null, 2)); fs.writeFileSync("public.json", JSON.stringify(publicSignals, null, 2)); console.log("Proof generated successfully!"); } generateWitnessAndProof(); ```

قم بتشغيل البرنامج النصي: ts-node generate_witness.ts.

6. التحقق من الدليل:

قم بإنشاء ملف TypeScript آخر (على سبيل المثال، `verify_proof.ts`) للتحقق من الدليل الذي تم إنشاؤه.

```typescript import { groth16 } from 'snarkjs'; import * as fs from 'fs'; async function verifyProof() { const vKey = JSON.parse(fs.readFileSync("circuit.vkey").toString()); const proof = JSON.parse(fs.readFileSync("proof.json").toString()); const publicSignals = JSON.parse(fs.readFileSync("public.json").toString()); const verified = await groth16.verify(vKey, publicSignals, proof); if (verified) { console.log("Proof verified successfully!"); } else { console.log("Proof verification failed."); } } verifyProof(); ```

قبل تشغيل برنامج نصي للتحقق، قم بتصدير مفتاح التحقق من ملف `.zkey`:

```bash snarkjs zkey export verificationkey circuit.zkey circuit.vkey ```

قم بتشغيل برنامج نصي التحقق: ts-node verify_proof.ts.

يوضح هذا المثال سير العمل الأساسي لإنشاء والتحقق من zk-SNARK باستخدام Circom و SnarkJS و TypeScript. على الرغم من أن هذا مثال مبسط، إلا أنه يسلط الضوء على الخطوات الرئيسية المتضمنة.

حالات الاستخدام الواقعية لـ TypeScript ZKPs

تجد ZKPs تطبيقات في مختلف الصناعات:

• التمويل اللامركزي (DeFi): حماية خصوصية المستخدمين في بروتوكولات DeFi، وتمكين المعاملات السرية، والتحقق من ضمانات القروض دون الكشف عن معلومات حساسة. على سبيل المثال، إخفاء مبالغ المعاملات وهوية المرسل / المتلقي في البورصات اللامركزية (DEXs).
• إدارة سلسلة التوريد: التحقق من صحة وأصل البضائع دون الكشف عن معلومات المورد الحساسة. يمكن أن يساعد ذلك في منع التزييف وضمان المصادر الأخلاقية. على سبيل المثال، إثبات أصل المنتج وشهاداته دون الكشف عن تفاصيل المصنع المحددة.
• أنظمة التصويت: بناء أنظمة تصويت إلكترونية آمنة و خاصة حيث يمكن التحقق من الأصوات دون الكشف عن تفضيلات الناخبين الفردية. وهذا يضمن انتخابات عادلة وشفافة.
• الرعاية الصحية: مشاركة البيانات الطبية بشكل آمن وخاص. يمكن للمرضى إثبات أنهم يستوفون معايير صحية معينة دون الكشف عن تاريخهم الطبي بأكمله. على سبيل المثال، إثبات المناعة ضد مرض ما دون الكشف عن الحالات الطبية الأخرى.
• إدارة الهوية: التحقق من هوية المستخدم دون الكشف عن معلومات شخصية حساسة. يمكن للمستخدمين إثبات أنهم فوق سن معينة دون الكشف عن تاريخ ميلادهم الدقيق.
• تعلم الآلة: التحقق من سلامة نماذج ومجموعات بيانات تعلم الآلة دون الكشف عن البيانات الأساسية. هذا أمر بالغ الأهمية لضمان الإنصاف ومنع التحيز.

المواضيع والاعتبارات المتقدمة

بالإضافة إلى الأساسيات، هناك العديد من الموضوعات المتقدمة التي تستحق الاستكشاف:

• اختيار نظام ZKP المناسب: يعتمد تحديد نظام ZKP المناسب (zk-SNARKs، zk-STARKs، إلخ) على المتطلبات المحددة للتطبيق، مع الأخذ في الاعتبار عوامل مثل حجم الإثبات ووقت التحقق وافتراضات الأمان.
• تنفيذ الدوائر المخصصة: يعد تصميم الدوائر الفعالة والآمنة أمرًا بالغ الأهمية لتحسين أداء ZKP. يتطلب هذا فهمًا عميقًا لمبادئ التشفير الأساسية والنظر الدقيق في القيود.
• التعامل مع مجموعات البيانات الكبيرة: قد يكون معالجة مجموعات البيانات الكبيرة في تطبيقات ZKP أمرًا صعبًا. يمكن استخدام تقنيات مثل أشجار ميركل و ZKPs المتكررة لتحسين قابلية التوسع.
• مراجعات الأمان: تعد مراجعات الأمان الشاملة ضرورية لتحديد وتخفيف الثغرات الأمنية المحتملة في تطبيقات ZKP. شارك مع باحثي الأمن ذوي الخبرة لمراجعة التعليمات البرمجية وتصميمات الدائرة.
• تحسين الأداء: يعد تحسين أداء تطبيقات ZKP أمرًا بالغ الأهمية للنشر في العالم الحقيقي. يمكن أن يساعد فحص التعليمات البرمجية والدوائر الخاصة بك في تحديد الاختناقات ومجالات التحسين.

أفضل الممارسات لتطوير تطبيقات TypeScript ZKP

فيما يلي بعض أفضل الممارسات التي يجب اتباعها عند تطوير تطبيقات TypeScript ZKP:

• إعطاء الأولوية للأمان: يجب أن يكون الأمان هو الأولوية القصوى طوال عملية التطوير. استخدم مكتبات التشفير الراسخة واتبع أفضل ممارسات الأمان.
• كتابة تعليمات برمجية واضحة وموجزة: اكتب تعليمات برمجية يسهل فهمها وصيانتها. استخدم أسماء متغيرات ذات مغزى وأضف تعليقات لشرح المنطق المعقد.
• اختبر بدقة: اختبر التعليمات البرمجية الخاصة بك بدقة للتأكد من أنها تعمل بشكل صحيح ومقاومة للهجمات. استخدم اختبارات الوحدة واختبارات التكامل واختبار التغشية لتغطية سيناريوهات مختلفة.
• وثق التعليمات البرمجية الخاصة بك: وثق التعليمات البرمجية الخاصة بك بوضوح وشامل. قدم تفسيرات تفصيلية لتصميم الدائرة والبروتوكولات المشفرة واستخدام واجهة برمجة التطبيقات.
• ابق على اطلاع دائم: يتطور مجال ZKPs باستمرار. ابق على اطلاع دائم بأحدث الأبحاث والتطورات لضمان بقاء تطبيقاتك آمنة وفعالة.
• استخدم LINTING والتنسيق: فرض نمط تعليمات برمجية متسق باستخدام أدوات Linting والمنسقات (على سبيل المثال، ESLint، Prettier).
• تصميم معياري: قسّم التعليمات البرمجية الخاصة بك إلى وحدات أصغر قابلة لإعادة الاستخدام لتحسين إمكانية الصيانة والاختبار.

خاتمة

إثباتات المعرفة منعدمة المعرفة هي تقنية قوية لديها القدرة على إحداث ثورة في الخصوصية والأمن في مختلف المجالات. من خلال الاستفادة من سلامة النوع في TypeScript وميزات صديقة للمطورين، يمكننا بناء تطبيقات ZKP قوية وموثوقة. في حين أن تطوير تطبيقات ZKP يتطلب اهتمامًا دقيقًا بالتفاصيل وفهمًا قويًا للتشفير، فإن فوائد الخصوصية والأمان المعززين تجعلها مسعى جديرًا بالاهتمام. مع نضج التكنولوجيا وتحسن الأدوات، يمكننا أن نتوقع رؤية اعتماد أوسع لـ ZKPs في المستقبل، وتمكين المستخدمين بمزيد من التحكم في بياناتهم وتعزيز عالم رقمي أكثر أمانًا وجدارة بالثقة.

يوفر هذا المنشور نقطة بداية لاستكشاف عالم TypeScript ZKPs. استمر في التعلم والتجربة والمساهمة في المجتمع المتنامي للمساعدة في تشكيل مستقبل التقنيات المحسنة للخصوصية.