TypeScript Zero-Knowledge Proofs: Privacytechnologie met Typeveiligheid

In het huidige digitale landschap is privacy van het grootste belang. Als ontwikkelaars hebben we de verantwoordelijkheid om applicaties te bouwen die gebruikersgegevens beschermen en veilige interacties garanderen. Zero-Knowledge Proofs (ZKP's) zijn een cryptografische techniek waarmee de ene partij (de bewijzer) aan een andere partij (de verificator) kan bewijzen dat een bewering waar is, zonder enige informatie vrij te geven buiten de geldigheid van de bewering zelf. Deze technologie zorgt voor een revolutie in diverse sectoren, van financiën en gezondheidszorg tot stemsystemen en supply chain management.

Deze blogpost duikt in de wereld van ZKP's, met een focus op hun implementatie en gebruik met TypeScript. TypeScript, met zijn robuuste typesysteem, biedt een krachtige omgeving voor het ontwikkelen van veilige en betrouwbare ZKP-applicaties. We zullen de fundamentele concepten, praktische voorbeelden en de voordelen van het combineren van ZKP's met de typeveiligheidskenmerken van TypeScript verkennen.

Wat zijn Zero-Knowledge Proofs?

In de kern is een Zero-Knowledge Proof een protocol tussen twee partijen: een bewijzer en een verificator. De bewijzer wil de verificator overtuigen dat hij of zij over bepaalde kennis beschikt of aan een specifieke voorwaarde voldoet, zonder de kennis zelf te onthullen. Stel je een scenario voor waarin Alice aan Bob wil bewijzen dat ze de oplossing van een Sudoku-puzzel kent, zonder hem de oplossing te laten zien. ZKP's maken dat mogelijk.

Belangrijkste Eigenschappen van Zero-Knowledge Proofs:

• Volledigheid: Als de bewering waar is, kan een eerlijke bewijzer een eerlijke verificator overtuigen.
• Correctheid: Als de bewering onwaar is, kan geen enkele bewijzer een eerlijke verificator overtuigen.
• Zero-Knowledge: De verificator leert niets anders dan de geldigheid van de bewering.

Soorten Zero-Knowledge Proofs:

Er bestaan verschillende soorten ZKP's, elk met hun eigen sterke en zwakke punten. Enkele van de meest prominente zijn:

• zk-SNARKs (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive ARguments of Knowledge): Bekend om hun kleine bewijsgrootte en snelle verificatietijden, wat ze geschikt maakt voor on-chain applicaties. Ze vereisen echter vaak een 'trusted setup'.
• zk-STARKs (Zero-Knowledge Scalable Transparent ARguments of Knowledge): Bieden grotere schaalbaarheid en transparantie, omdat ze geen 'trusted setup' vereisen. Ze resulteren echter over het algemeen in grotere bewijzen.
• Sigmaprotocollen: Interactieve protocollen die niet-interactief kunnen worden gemaakt met behulp van de Fiat-Shamir-heuristiek.

Waarom TypeScript voor Zero-Knowledge Proofs?

TypeScript brengt verschillende voordelen met zich mee voor de ontwikkeling van ZKP-applicaties:

• Typeveiligheid: Het statische typering systeem van TypeScript helpt fouten vroeg in het ontwikkelproces op te sporen, waardoor het risico op bugs wordt verminderd en de betrouwbaarheid van de code wordt verbeterd. Dit is cruciaal bij het omgaan met complexe cryptografische algoritmen.
• Onderhoudbaarheid van de code: TypeScript's ondersteuning voor objectgeoriënteerd programmeren en modulariteit maakt code gemakkelijker te begrijpen, te onderhouden en uit te breiden.
• Verbeterde ontwikkelaarservaring: TypeScript biedt uitstekende tools, waaronder autocompletion, refactoring en debugging-ondersteuning, wat de productiviteit van ontwikkelaars verhoogt.
• JavaScript-compatibiliteit: TypeScript compileert naar JavaScript, wat compatibiliteit met een breed scala aan platforms en browsers garandeert.

Een TypeScript ZKP-ontwikkelomgeving opzetten

Voordat we in de code duiken, laten we onze ontwikkelomgeving opzetten. We hebben Node.js, npm (of yarn) en een code-editor zoals VS Code nodig.

1. Installeer Node.js en npm: Download en installeer Node.js van de officiële website (nodejs.org). npm wordt doorgaans meegeleverd met Node.js.
2. Installeer TypeScript: Open een terminal en voer uit: npm install -g typescript
3. Installeer Circom en SnarkJS (indien zk-SNARKs worden gebruikt): Deze tools zijn essentieel voor het definiëren en compileren van circuits voor zk-SNARKs. Installeer ze globaal met: npm install -g circom snarkjs
4. Maak een nieuw TypeScript-project: Maak een nieuwe map voor je project en initialiseer een TypeScript-project: mkdir mijn-zkp-project && cd mijn-zkp-project && tsc --init
5. Installeer de benodigde bibliotheken: Installeer eventuele andere vereiste bibliotheken, zoals die voor het verwerken van grote getallen of het uitvoeren van cryptografische operaties. Bijvoorbeeld: npm install snarkjs circomlib @noble/curves

Voorbeeld: Een simpele zk-SNARK met TypeScript

Laten we een eenvoudig zk-SNARK-voorbeeld illustreren met Circom en SnarkJS. Dit voorbeeld demonstreert het bewijzen van kennis van een geheime waarde 'x' zodanig dat x * x * x + x == 35.

1. Definieer het 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(); ```

Dit circuit definieert een simpele berekening: `x^3 + x = 35`. Het doel is om kennis van 'x' te bewijzen zonder de waarde ervan te onthullen.

2. Compileer het Circom Circuit:

Gebruik de Circom-compiler om de R1CS (Rank-1 Constraint System) representatie en de WASM-code te genereren:

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

3. Genereer de Bewijs- en Verificatiesleutels:

SnarkJS wordt gebruikt om de 'trusted setup' uit te voeren en de bewijs- en verificatiesleutels te genereren. Belangrijk: In een productieomgeving moet een veilige multi-party computation (MPC) worden gebruikt voor de 'trusted setup' om kwetsbaarheden te voorkomen.

```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. Genereer de Witness:

Maak een TypeScript-bestand (bijv. `generate_witness.ts`) om de 'witness' te genereren, die de waarden van alle signalen in het circuit voor een gegeven input bevat.

```typescript import { groth16 } from 'snarkjs'; import * as fs from 'fs'; async function generateWitness() { const input = { x: 3 }; // De geheime waarde '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 succesvol gegenereerd!"); } generateWitness(); ```

Installeer `snarkjs` met npm: npm install snarkjs. Voer vervolgens het TypeScript-bestand uit: ts-node generate_witness.ts. Mogelijk moet je `ts-node` installeren: npm install -g ts-node

5. Genereer het Bewijs:

Pas het `generate_witness.ts`-bestand aan om ook het bewijs te genereren:

```typescript import { groth16 } from 'snarkjs'; import * as fs from 'fs'; async function generateWitnessAndProof() { const input = { x: 3 }; // De geheime waarde '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("Bewijs succesvol gegenereerd!"); } generateWitnessAndProof(); ```

Voer het script uit: ts-node generate_witness.ts.

6. Verifieer het Bewijs:

Maak een ander TypeScript-bestand (bijv. `verify_proof.ts`) om het gegenereerde bewijs te verifiëren.

```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("Bewijs succesvol geverifieerd!"); } else { console.log("Verificatie van bewijs mislukt."); } } verifyProof(); ```

Voordat je het verificatiescript uitvoert, exporteer je de verificatiesleutel uit het `.zkey`-bestand:

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

Voer het verificatiescript uit: ts-node verify_proof.ts.

Dit voorbeeld demonstreert de basisworkflow van het creëren en verifiëren van een zk-SNARK met Circom, SnarkJS en TypeScript. Hoewel dit een vereenvoudigd voorbeeld is, belicht het de belangrijkste stappen die erbij komen kijken.

Praktische Toepassingen van TypeScript ZKP's

ZKP's vinden toepassingen in verschillende sectoren:

• Decentralized Finance (DeFi): Bescherming van gebruikersprivacy in DeFi-protocollen, het mogelijk maken van vertrouwelijke transacties en het verifiëren van leningonderpand zonder gevoelige informatie te onthullen. Bijvoorbeeld het verbergen van transactiebedragen en identiteiten van zender/ontvanger op gedecentraliseerde beurzen (DEXs).
• Supply Chain Management: Verifiëren van de authenticiteit en herkomst van goederen zonder gevoelige leveranciersinformatie te onthullen. Dit kan helpen namaak te voorkomen en ethische inkoop te garanderen. Bijvoorbeeld het bewijzen van de herkomst en certificeringen van een product zonder specifieke fabrieksdetails te onthullen.
• Stemsystemen: Bouwen van veilige en private e-stemsystemen waar stemmen kunnen worden geverifieerd zonder individuele kiezersvoorkeuren te onthullen. Dit zorgt voor eerlijke en transparante verkiezingen.
• Gezondheidszorg: Veilig en privé delen van medische gegevens. Patiënten kunnen bewijzen dat ze aan bepaalde gezondheidscriteria voldoen zonder hun volledige medische geschiedenis te onthullen. Bijvoorbeeld het bewijzen van immuniteit voor een ziekte zonder andere medische aandoeningen bekend te maken.
• Identiteitsbeheer: Verifiëren van de identiteit van gebruikers zonder gevoelige persoonlijke informatie te onthullen. Gebruikers kunnen bewijzen dat ze ouder zijn dan een bepaalde leeftijd zonder hun exacte geboortedatum prijs te geven.
• Machine Learning: Verifiëren van de integriteit van machine learning-modellen en datasets zonder de onderliggende data te onthullen. Dit is cruciaal om eerlijkheid te waarborgen en vooringenomenheid te voorkomen.

Geavanceerde Onderwerpen en Overwegingen

Naast de basis zijn er verschillende geavanceerde onderwerpen die het verkennen waard zijn:

• Het juiste ZKP-systeem kiezen: Het selecteren van het juiste ZKP-systeem (zk-SNARKs, zk-STARKs, etc.) hangt af van de specifieke eisen van de applicatie, rekening houdend met factoren zoals bewijsgrootte, verificatietijd en veiligheidsaannames.
• Implementeren van aangepaste circuits: Het ontwerpen van efficiënte en veilige circuits is cruciaal voor het optimaliseren van ZKP-prestaties. Dit vereist een diepgaand begrip van de onderliggende cryptografische principes en een zorgvuldige afweging van de beperkingen.
• Verwerken van grote datasets: Het verwerken van grote datasets in ZKP-applicaties kan een uitdaging zijn. Technieken zoals Merkle-bomen en recursieve ZKP's kunnen worden gebruikt om de schaalbaarheid te verbeteren.
• Veiligheidsaudits: Grondige veiligheidsaudits zijn essentieel om potentiële kwetsbaarheden in ZKP-implementaties te identificeren en te mitigeren. Werk samen met ervaren beveiligingsonderzoekers om je code en circuitontwerpen te beoordelen.
• Prestatie-optimalisatie: Het optimaliseren van de prestaties van ZKP-applicaties is cruciaal voor implementatie in de praktijk. Het profileren van je code en circuits kan helpen knelpunten en verbeterpunten te identificeren.

Best Practices voor het Ontwikkelen van TypeScript ZKP-applicaties

Hier zijn enkele best practices om te volgen bij het ontwikkelen van TypeScript ZKP-applicaties:

• Geef prioriteit aan beveiliging: Beveiliging moet de hoogste prioriteit hebben gedurende het hele ontwikkelproces. Gebruik gevestigde cryptografische bibliotheken en volg best practices op het gebied van beveiliging.
• Schrijf duidelijke en beknopte code: Schrijf code die gemakkelijk te begrijpen en te onderhouden is. Gebruik betekenisvolle variabelennamen en voeg commentaar toe om complexe logica uit te leggen.
• Test grondig: Test je code uitvoerig om ervoor te zorgen dat deze correct functioneert en bestand is tegen aanvallen. Gebruik unit tests, integratietests en fuzz-testen om verschillende scenario's te dekken.
• Documenteer je code: Documenteer je code duidelijk en uitgebreid. Geef gedetailleerde uitleg over het circuitontwerp, de cryptografische protocollen en het API-gebruik.
• Blijf op de hoogte: Het veld van ZKP's evolueert voortdurend. Blijf op de hoogte van het laatste onderzoek en de nieuwste ontwikkelingen om ervoor te zorgen dat je applicaties veilig en efficiënt blijven.
• Gebruik Linting en Formatting: Dwing een consistente codestijl af met linters en formatters (bijv. ESLint, Prettier).
• Modulair ontwerp: Breek je code op in kleinere, herbruikbare modules om de onderhoudbaarheid en testbaarheid te verbeteren.

Conclusie

Zero-Knowledge Proofs zijn een krachtige technologie met het potentieel om privacy en beveiliging in verschillende domeinen te revolutioneren. Door gebruik te maken van de typeveiligheid en de ontwikkelaarsvriendelijke functies van TypeScript, kunnen we robuuste en betrouwbare ZKP-applicaties bouwen. Hoewel de ontwikkeling van ZKP-applicaties zorgvuldige aandacht voor detail en een sterk begrip van cryptografie vereist, maken de voordelen van verbeterde privacy en beveiliging het een waardevolle onderneming. Naarmate de technologie volwassener wordt en de tools verbeteren, kunnen we in de toekomst een nog bredere acceptatie van ZKP's verwachten, waardoor gebruikers meer controle over hun gegevens krijgen en een veiligere en betrouwbaardere digitale wereld wordt bevorderd.

Deze post biedt een startpunt voor het verkennen van de wereld van TypeScript ZKP's. Blijf leren, experimenteren en bijdragen aan de groeiende gemeenschap om de toekomst van privacybevorderende technologieën mede vorm te geven.