Důkazy s nulovou znalostí v TypeScriptu: Technologie ochrany soukromí s bezpečností typů

V dnešním digitálním prostředí je soukromí prvořadé. Jako vývojáři máme povinnost vytvářet aplikace, které chrání uživatelská data a zajišťují bezpečnou interakci. Důkazy s nulovou znalostí (ZKPs) jsou kryptografická technika, která umožňuje jedné straně (ověřovateli) prokázat druhé straně (ověřovateli), že je tvrzení pravdivé, aniž by odhalila jakékoli informace nad rámec platnosti samotného tvrzení. Tato technologie revolucionizuje různá odvětví, od financí a zdravotnictví až po volební systémy a řízení dodavatelského řetězce.

Tento příspěvek na blogu se ponoří do světa ZKPs se zaměřením na jejich implementaci a použití s TypeScriptem. TypeScript se svým robustním systémem typů poskytuje výkonné prostředí pro vývoj zabezpečených a spolehlivých aplikací ZKP. Prozkoumáme základní koncepty, praktické příklady a výhody kombinace ZKPs s funkcemi bezpečnosti typů TypeScriptu.

Co jsou důkazy s nulovou znalostí?

V jádru je důkaz s nulovou znalostí protokolem mezi dvěma stranami: ověřovatelem a ověřovatelem. Ověřovatel se snaží přesvědčit ověřovatele, že má určité znalosti nebo splňuje konkrétní podmínku, aniž by odhalil samotné znalosti. Představte si scénář, kde Alice chce Bobovi dokázat, že zná řešení hádanky Sudoku, aniž by mu ukázala řešení. ZKPs jí to umožňují.

Klíčové vlastnosti důkazů s nulovou znalostí:

• Úplnost: Pokud je tvrzení pravdivé, čestný ověřovatel může přesvědčit čestného ověřovatele.
• Správnost: Pokud je tvrzení nepravdivé, žádný ověřovatel nemůže přesvědčit čestného ověřovatele.
• Nulová znalost: Ověřovatel se nedozví nic nad rámec platnosti tvrzení.

Typy důkazů s nulovou znalostí:

Existuje několik typů ZKPs, z nichž každý má své silné a slabé stránky. Některé z nejvýznamnějších zahrnují:

• zk-SNARKs (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive ARguments of Knowledge): Známé pro svou malou velikost důkazu a rychlou dobu ověřování, díky čemuž jsou vhodné pro aplikace on-chain. Často však vyžadují důvěryhodné nastavení.
• zk-STARKs (Zero-Knowledge Scalable Transparent ARguments of Knowledge): Nabízejí větší škálovatelnost a transparentnost, protože nevyžadují důvěryhodné nastavení. Obecně však vedou k větším velikostem důkazů.
• Sigma Protocols: Interaktivní protokoly, které lze pomocí heuristiky Fiat-Shamir učinit neinteraktivními.

Proč TypeScript pro důkazy s nulovou znalostí?

TypeScript přináší několik výhod pro vývoj aplikací ZKP:

• Bezpečnost typů: Statický systém typů TypeScriptu pomáhá zachytit chyby v rané fázi vývoje, čímž se snižuje riziko chyb a zlepšuje spolehlivost kódu. To je zásadní při práci se složitými kryptografickými algoritmy.
• Udržovatelnost kódu: Podpora TypeScriptu pro objektově orientované programování a modularitu usnadňuje pochopení, údržbu a rozšíření kódu.
• Vylepšená zkušenost vývojáře: TypeScript poskytuje vynikající nástroje, včetně automatického dokončování, refaktoringu a podpory ladění, což zvyšuje produktivitu vývojáře.
• Kompatibilita s JavaScriptem: TypeScript se kompiluje do JavaScriptu, což zajišťuje kompatibilitu s širokou škálou platforem a prohlížečů.

Nastavení vývojového prostředí TypeScript ZKP

Než se pustíme do kódu, nastavme si vývojové prostředí. Budeme potřebovat Node.js, npm (nebo yarn) a editor kódu jako VS Code.

1. Nainstalujte Node.js a npm: Stáhněte si a nainstalujte Node.js z oficiálních webových stránek (nodejs.org). npm je obvykle součástí Node.js.
2. Nainstalujte TypeScript: Otevřete terminál a spusťte: npm install -g typescript
3. Nainstalujte Circom a SnarkJS (pokud používáte zk-SNARKs): Tyto nástroje jsou nezbytné pro definování a kompilaci obvodů pro zk-SNARKs. Nainstalujte je globálně pomocí: npm install -g circom snarkjs
4. Vytvořte nový projekt TypeScript: Vytvořte nový adresář pro svůj projekt a inicializujte projekt TypeScript: mkdir my-zkp-project && cd my-zkp-project && tsc --init
5. Nainstalujte potřebné knihovny: Nainstalujte všechny další požadované knihovny, například ty pro zpracování velkých čísel nebo provádění kryptografických operací. Například: npm install snarkjs circomlib @noble/curves

Příklad: Jednoduchý zk-SNARK s TypeScriptem

Ukažme si základní příklad zk-SNARK s použitím Circom a SnarkJS. Tento příklad demonstruje prokázání znalosti tajné hodnoty 'x' tak, že x * x * x + x == 35.

1. Definujte obvod 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(); ```

Tento obvod definuje jednoduchý výpočet: `x^3 + x = 35`. Cílem je prokázat znalost 'x' bez odhalení jeho hodnoty.

2. Zkompilujte obvod Circom:

Použijte kompilátor Circom k vygenerování reprezentace R1CS (Rank-1 Constraint System) a kódu WASM:

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

3. Vygenerujte klíče pro prokázání a ověření:

SnarkJS se používá k provedení důvěryhodného nastavení a generování klíčů pro prokázání a ověření. Důležité: V produkčním prostředí by se pro důvěryhodné nastavení mělo použít zabezpečené výpočty pro více stran (MPC), aby se zabránilo zranitelnostem.

```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. Vygenerujte svědka:

Vytvořte soubor TypeScript (např. `generate_witness.ts`) pro generování svědka, který obsahuje hodnoty všech signálů v obvodu pro daný vstup.

```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(); ```

Nainstalujte `snarkjs` pomocí npm: npm install snarkjs. Poté spusťte soubor TypeScript: ts-node generate_witness.ts. Možná budete muset nainstalovat `ts-node`: npm install -g ts-node

5. Vygenerujte důkaz:

Upravte soubor `generate_witness.ts` tak, aby generoval také důkaz:

```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(); ```

Spusťte skript: ts-node generate_witness.ts.

6. Ověřte důkaz:

Vytvořte další soubor TypeScript (např. `verify_proof.ts`) pro ověření vygenerovaného důkazu.

```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(); ```

Před spuštěním ověřovacího skriptu exportujte ověřovací klíč ze souboru `.zkey`:

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

Spusťte ověřovací skript: ts-node verify_proof.ts.

Tento příklad ukazuje základní pracovní postup vytváření a ověřování zk-SNARK pomocí Circom, SnarkJS a TypeScript. I když se jedná o zjednodušený příklad, zdůrazňuje klíčové kroky, které jsou součástí.

Použití ZKP v reálném světě

ZKPs nacházejí uplatnění v různých odvětvích:

• Decentralizované finance (DeFi): Ochrana soukromí uživatelů v protokolech DeFi, umožnění důvěrných transakcí a ověření kolaterálu půjček bez odhalení citlivých informací. Například utajení částek transakcí a totožnosti odesílatele/příjemce na decentralizovaných burzách (DEX).
• Řízení dodavatelského řetězce: Ověření pravosti a původu zboží bez odhalení citlivých informací o dodavateli. To může pomoci zabránit padělání a zajistit etické získávání zdrojů. Například prokázání původu a certifikací produktu bez odhalení konkrétních podrobností o továrně.
• Volební systémy: Budování bezpečných a soukromých e-volebních systémů, kde lze hlasy ověřit bez odhalení preferencí jednotlivých voličů. To zajišťuje spravedlivé a transparentní volby.
• Zdravotnictví: Bezpečné a soukromé sdílení lékařských dat. Pacienti mohou prokázat, že splňují určitá zdravotní kritéria, aniž by odhalili celou svou lékařskou historii. Například prokázání imunity vůči nemoci bez zveřejnění dalších zdravotních stavů.
• Správa identity: Ověření identity uživatele bez odhalení citlivých osobních údajů. Uživatelé mohou prokázat, že jsou starší určitého věku, aniž by zveřejnili své přesné datum narození.
• Strojové učení: Ověření integrity modelů a datových sad strojového učení bez odhalení základních dat. To je zásadní pro zajištění spravedlnosti a zabránění zkreslení.

Pokročilá témata a úvahy

Kromě základů stojí za to prozkoumat několik pokročilých témat:

• Výběr správného systému ZKP: Výběr vhodného systému ZKP (zk-SNARKs, zk-STARKs atd.) závisí na specifických požadavcích aplikace, s ohledem na faktory jako velikost důkazu, doba ověřování a bezpečnostní předpoklady.
• Implementace vlastních obvodů: Navrhování efektivních a bezpečných obvodů je zásadní pro optimalizaci výkonu ZKP. To vyžaduje hluboké porozumění základním kryptografickým principům a pečlivé zvážení omezení.
• Zpracování velkých datových sad: Zpracování velkých datových sad v aplikacích ZKP může být náročné. K zlepšení škálovatelnosti lze použít techniky jako Merkleovy stromy a rekurzivní ZKPs.
• Bezpečnostní audity: Důkladné bezpečnostní audity jsou nezbytné pro identifikaci a zmírnění potenciálních zranitelností v implementacích ZKP. Spolupracujte se zkušenými bezpečnostními výzkumníky, aby zkontrolovali váš kód a návrhy obvodů.
• Optimalizace výkonu: Optimalizace výkonu aplikací ZKP je kritická pro reálné nasazení. Profilování vašeho kódu a obvodů může pomoci identifikovat úzká hrdla a oblasti pro zlepšení.

Osvědčené postupy pro vývoj aplikací TypeScript ZKP

Zde jsou některé osvědčené postupy, které je třeba dodržovat při vývoji aplikací TypeScript ZKP:

• Upřednostňujte bezpečnost: Bezpečnost by měla být nejvyšší prioritou v celém procesu vývoje. Používejte zavedené kryptografické knihovny a dodržujte osvědčené postupy zabezpečení.
• Pište jasný a stručný kód: Pište kód, který je snadno srozumitelný a udržovatelný. Používejte smysluplné názvy proměnných a přidávejte komentáře, které vysvětlují složitou logiku.
• Důkladně testujte: Důkladně otestujte svůj kód, abyste se ujistili, že funguje správně a je odolný proti útokům. Použijte jednotkové testy, integrační testy a fuzz testování k pokrytí různých scénářů.
• Dokumentujte svůj kód: Jasně a komplexně dokumentujte svůj kód. Poskytněte podrobná vysvětlení návrhu obvodu, kryptografických protokolů a použití API.
• Zůstaňte informováni: Oblast ZKPs se neustále vyvíjí. Zůstaňte informováni o nejnovějším výzkumu a vývoji, abyste zajistili, že vaše aplikace zůstanou zabezpečené a efektivní.
• Používejte linting a formátování: Vynucujte konzistentní styl kódu pomocí linters a formátovačů (např. ESLint, Prettier).
• Modulární design: Rozdělte svůj kód na menší, opakovaně použitelné moduly, abyste zlepšili udržovatelnost a testovatelnost.

Závěr

Důkazy s nulovou znalostí jsou výkonná technologie s potenciálem revolucionizovat soukromí a bezpečnost v různých oblastech. Využitím bezpečnosti typů a funkcí pro vývojáře TypeScriptu můžeme vytvářet robustní a spolehlivé aplikace ZKP. Zatímco vývoj aplikací ZKP vyžaduje pečlivou pozornost k detailu a silné porozumění kryptografii, výhody vylepšeného soukromí a zabezpečení z něj činí úsilí, které stojí za to. Jak technologie zraje a nástroje se zlepšují, můžeme očekávat ještě širší přijetí ZKPs v budoucnu, což uživatelům umožní větší kontrolu nad jejich daty a podpoří bezpečnější a důvěryhodnější digitální svět.

Tento příspěvek poskytuje výchozí bod pro zkoumání světa TypeScript ZKPs. Pokračujte ve studiu, experimentování a přispívání do rostoucí komunity, abyste pomohli utvářet budoucnost technologií pro ochranu soukromí.