Доказателства с нулево знание в TypeScript: Технология за поверителност с типова безопасност

В днешния дигитален свят поверителността е от първостепенно значение. Като разработчици, ние носим отговорност за изграждането на приложения, които защитават потребителските данни и осигуряват сигурни взаимодействия. Доказателствата с нулево знание (ZKPs) са криптографска техника, която позволява на едната страна (доказващия) да докаже на другата страна (верифициращия), че дадено твърдение е вярно, без да разкрива никаква информация извън валидността на самото твърдение. Тази технология революционизира различни индустрии, от финанси и здравеопазване до системи за гласуване и управление на веригата за доставки.

Тази публикация в блога се задълбочава в света на ZKPs, като се фокусира върху тяхното внедряване и използване с TypeScript. TypeScript, със своята стабилна типова система, предоставя мощна среда за разработване на сигурни и надеждни ZKP приложения. Ще проучим основните концепции, практическите примери и предимствата на комбинирането на ZKPs с функциите за типова безопасност на TypeScript.

Какво представляват доказателствата с нулево знание?

По същество, доказателството с нулево знание е протокол между две страни: доказващ и верифициращ. Доказващият има за цел да убеди верифициращия, че притежава определено знание или отговаря на конкретно условие, без да разкрива самото знание. Представете си сценарий, в който Алиса иска да докаже на Боб, че знае решението на пъзел Судоку, без да му показва решението. ZKPs ѝ позволяват да направи точно това.

Основни свойства на доказателствата с нулево знание:

• Пълнота: Ако твърдението е вярно, честният доказващ може да убеди честния верифициращ.
• Здравост: Ако твърдението е невярно, никой доказващ не може да убеди честния верифициращ.
• Нулево знание: Верифициращият не научава нищо освен валидността на твърдението.

Видове доказателства с нулево знание:

Съществуват няколко вида ZKPs, всеки със своите силни и слаби страни. Някои от най-известните включват:

• zk-SNARKs (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive ARguments of Knowledge): Известни със своя малък размер на доказателството и бързо време за проверка, което ги прави подходящи за приложения на веригата. Те обаче често изискват доверена настройка.
• zk-STARKs (Zero-Knowledge Scalable Transparent ARguments of Knowledge): Предлагат по-голяма мащабируемост и прозрачност, тъй като не изискват доверена настройка. Те обаче обикновено водят до по-големи размери на доказателствата.
• Sigma Protocols: Интерактивни протоколи, които могат да бъдат направени неинтерактивни с помощта на евристиката Fiat-Shamir.

Защо TypeScript за доказателства с нулево знание?

TypeScript предлага няколко предимства при разработването на ZKP приложения:

• Типова безопасност: Типовата система на TypeScript помага за ранното улавяне на грешки в процеса на разработка, намалявайки риска от бъгове и подобрявайки надеждността на кода. Това е от решаващо значение при работа със сложни криптографски алгоритми.
• Поддръжка на кода: Поддръжката на TypeScript за обектно-ориентирано програмиране и модулност улеснява разбирането, поддръжката и разширяването на кода.
• Подобрено изживяване за разработчиците: TypeScript предоставя отлични инструменти, включително автоматично довършване, рефакторинг и поддръжка за отстраняване на грешки, подобрявайки производителността на разработчиците.
• Съвместимост с JavaScript: TypeScript се компилира в JavaScript, осигурявайки съвместимост с широка гама от платформи и браузъри.

Настройка на среда за разработка на TypeScript ZKP

Преди да се потопим в кода, нека настроим нашата среда за разработка. Ще ни трябват Node.js, npm (или yarn) и кодов редактор като VS Code.

1. Инсталирайте Node.js и npm: Изтеглете и инсталирайте Node.js от официалния уебсайт (nodejs.org). npm обикновено е включен в Node.js.
2. Инсталирайте TypeScript: Отворете терминал и изпълнете: npm install -g typescript
3. Инсталирайте Circom и SnarkJS (ако използвате zk-SNARKs): Тези инструменти са от съществено значение за дефиниране и компилиране на схеми за zk-SNARKs. Инсталирайте ги глобално, използвайки: npm install -g circom snarkjs
4. Създайте нов TypeScript проект: Създайте нова директория за вашия проект и инициализирайте TypeScript проект: mkdir my-zkp-project && cd my-zkp-project && tsc --init
5. Инсталирайте необходимите библиотеки: Инсталирайте всички други необходими библиотеки, като тези за работа с големи числа или извършване на криптографски операции. Например: npm install snarkjs circomlib @noble/curves

Пример: Прост zk-SNARK с TypeScript

Нека илюстрираме основен zk-SNARK пример с помощта на Circom и SnarkJS. Този пример демонстрира доказване на познаването на секретна стойност 'x', така че x * x * x + x == 35.

1. Определете Circom Circuit (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(); ```

Тази схема дефинира просто изчисление: `x^3 + x = 35`. Целта е да се докаже познаването на 'x' без да се разкрива неговата стойност.

2. Компилирайте Circom Circuit:

Използвайте компилатора Circom за генериране на представянето на R1CS (Rank-1 Constraint System) и WASM кода:

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

3. Генерирайте ключовете за доказване и проверка:

SnarkJS се използва за извършване на доверената настройка и генериране на ключовете за доказване и проверка. Важно: В производствена среда трябва да се използва сигурно многостранно изчисление (MPC) за доверената настройка, за да се предотвратят уязвимости.

```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. Генерирайте свидетел:

Създайте TypeScript файл (напр. `generate_witness.ts`), за да генерирате свидетеля, който съдържа стойностите на всички сигнали в схемата за даден вход.

```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(); ```

Инсталирайте `snarkjs` с помощта на npm: npm install snarkjs. След това изпълнете TypeScript файла: ts-node generate_witness.ts. Може да се наложи да инсталирате `ts-node`: npm install -g ts-node

5. Генерирайте доказателството:

Променете файла `generate_witness.ts`, за да генерирате и доказателството:

```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(); ```

Изпълнете скрипта: ts-node generate_witness.ts.

6. Проверете доказателството:

Създайте друг TypeScript файл (напр. `verify_proof.ts`), за да проверите генерираното доказателство.

```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(); ```

Преди да изпълните скрипта за проверка, експортирайте ключа за проверка от файла `.zkey`:

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

Изпълнете скрипта за проверка: ts-node verify_proof.ts.

Този пример демонстрира основния работен процес за създаване и проверка на zk-SNARK с помощта на Circom, SnarkJS и TypeScript. Въпреки че това е опростен пример, той подчертава основните стъпки, включени.

Реални случаи на употреба на TypeScript ZKPs

ZKPs намират приложения в различни индустрии:

• Децентрализирани финанси (DeFi): Защита на поверителността на потребителите в DeFi протоколи, активиране на поверителни транзакции и проверка на обезпечението по заеми, без да се разкрива чувствителна информация. Например, прикриване на сумите на транзакциите и самоличността на подателя/получателя на децентрализирани борси (DEXs).
• Управление на веригата за доставки: Проверка на автентичността и произхода на стоките, без да се разкрива чувствителна информация за доставчика. Това може да помогне за предотвратяване на фалшифициране и осигуряване на етичен произход. Например, доказване на произхода и сертификатите на даден продукт, без да се разкриват подробности за конкретната фабрика.
• Системи за гласуване: Изграждане на сигурни и частни системи за електронно гласуване, където гласовете могат да бъдат проверени, без да се разкриват индивидуалните предпочитания на гласоподавателите. Това осигурява честни и прозрачни избори.
• Здравеопазване: Споделяне на медицински данни сигурно и поверително. Пациентите могат да докажат, че отговарят на определени здравни критерии, без да разкриват цялата си медицинска история. Например, доказване на имунитет към заболяване, без да се разкриват други медицински състояния.
• Управление на самоличността: Проверка на самоличността на потребителите, без да се разкрива чувствителна лична информация. Потребителите могат да докажат, че са над определена възраст, без да разкриват точната си дата на раждане.
• Машинно обучение: Проверка на интегритета на моделите и наборите от данни за машинно обучение, без да се разкриват основните данни. Това е от решаващо значение за осигуряване на справедливост и предотвратяване на пристрастия.

Разширени теми и съображения

Отвъд основите си струва да се проучат няколко разширени теми:

• Избор на правилната ZKP система: Изборът на подходяща ZKP система (zk-SNARKs, zk-STARKs и т.н.) зависи от конкретните изисквания на приложението, като се вземат предвид фактори като размер на доказателството, време за проверка и предположения за сигурност.
• Внедряване на персонализирани схеми: Проектирането на ефективни и сигурни схеми е от решаващо значение за оптимизиране на производителността на ZKP. Това изисква задълбочено разбиране на основните криптографски принципи и внимателно обмисляне на ограниченията.
• Работа с големи набори от данни: Обработката на големи набори от данни в ZKP приложения може да бъде предизвикателство. Техники като Merkle дървета и рекурсивни ZKPs могат да се използват за подобряване на мащабируемостта.
• Одити за сигурност: Одитите за задълбочена сигурност са от съществено значение за идентифициране и намаляване на потенциалните уязвимости във ZKP внедренията. Свържете се с опитни изследователи по сигурността, за да прегледате вашия код и дизайн на схеми.
• Оптимизация на производителността: Оптимизирането на производителността на ZKP приложенията е от решаващо значение за реалното внедряване. Профилирането на вашия код и схеми може да помогне за идентифициране на тесни места и области за подобрение.

Най-добри практики за разработване на TypeScript ZKP приложения

Ето някои най-добри практики, които трябва да следвате при разработването на TypeScript ZKP приложения:

• Приоритизирайте сигурността: Сигурността трябва да бъде основният приоритет през целия процес на разработка. Използвайте утвърдени криптографски библиотеки и следвайте най-добрите практики за сигурност.
• Напишете ясен и кратък код: Напишете код, който е лесен за разбиране и поддръжка. Използвайте смислени имена на променливи и добавете коментари, за да обясните сложна логика.
• Тествайте старателно: Тествайте кода си старателно, за да се уверите, че функционира правилно и е устойчив на атаки. Използвайте unit тестове, интеграционни тестове и fuzz тестове, за да покриете различни сценарии.
• Документирайте своя код: Документирайте кода си ясно и изчерпателно. Предоставете подробни обяснения на дизайна на схемата, криптографските протоколи и използването на API.
• Бъдете в течение: Областта на ZKPs постоянно се развива. Бъдете в течение с най-новите изследвания и разработки, за да гарантирате, че вашите приложения остават сигурни и ефективни.
• Използвайте Linting и Formatting: Наложете последователен стил на кодиране с помощта на linters и formatters (напр. ESLint, Prettier).
• Модулен дизайн: Разделете кода си на по-малки, многократно използваеми модули, за да подобрите поддръжката и тестването.

Заключение

Доказателствата с нулево знание са мощна технология с потенциала да революционизира поверителността и сигурността в различни области. Чрез използване на типовата безопасност на TypeScript и ориентираните към разработчиците функции, можем да изградим надеждни и надеждни ZKP приложения. Докато разработването на ZKP приложения изисква внимателно внимание към детайлите и силно разбиране на криптографията, ползите от подобрената поверителност и сигурност го правят достойно начинание. Тъй като технологията узрява и инструментите се подобряват, можем да очакваме да видим още по-широко приемане на ZKPs в бъдеще, давайки на потребителите по-голям контрол върху техните данни и насърчавайки един по-сигурен и надежден дигитален свят.

Тази публикация предоставя отправна точка за изследване на света на TypeScript ZKPs. Продължавайте да учите, експериментирате и допринасяйте към нарастващата общност, за да помогнете за оформянето на бъдещето на технологиите за подобряване на поверителността.