TypeScript Dôkazy s nulovou znalosťou: Technológia ochrany súkromia s bezpečnosťou typov

V dnešnej digitálnej krajine je ochrana súkromia prvoradá. Ako vývojári máme zodpovednosť budovať aplikácie, ktoré chránia údaje používateľov a zabezpečujú bezpečnú interakciu. Dôkazy s nulovou znalosťou (ZKP) sú kryptografická technika, ktorá umožňuje jednej strane (proverovi) dokázať druhej strane (verifikátorovi), že tvrdenie je pravdivé, bez odhalenia akýchkoľvek informácií nad rámec platnosti samotného tvrdenia. Táto technológia prináša revolúciu v rôznych odvetviach, od financií a zdravotníctva až po volebné systémy a riadenie dodávateľského reťazca.

Tento príspevok na blogu sa ponára do sveta ZKP so zameraním na ich implementáciu a použitie s TypeScript. TypeScript so svojim robustným systémom typov poskytuje výkonné prostredie na vývoj bezpečných a spoľahlivých aplikácií ZKP. Preskúmame základné koncepty, praktické príklady a výhody kombinácie ZKP s funkciami bezpečnosti typov TypeScript.

Čo sú to dôkazy s nulovou znalosťou?

V jadre je dôkaz s nulovou znalosťou protokol medzi dvoma stranami: proverom a verifikátorom. Prover sa snaží presvedčiť verifikátora, že má určité vedomosti alebo spĺňa určitú podmienku, bez toho, aby odhalil samotné vedomosti. Predstavte si scenár, kde Alice chce dokázať Bobovi, že pozná riešenie hádanky Sudoku, bez toho, aby mu ukázala riešenie. ZKP jej to umožňuje.

Kľúčové vlastnosti dôkazov s nulovou znalosťou:

• Úplnosť: Ak je tvrdenie pravdivé, čestný prover môže presvedčiť čestného verifikátora.
• Správnosť: Ak je tvrdenie nepravdivé, žiadny prover nemôže presvedčiť čestného verifikátora.
• Nulová znalosť: Verifikátor sa nedozvie nič okrem platnosti tvrdenia.

Typy dôkazov s nulovou znalosťou:

Existuje niekoľko typov ZKP, z ktorých každý má svoje vlastné silné a slabé stránky. Niektoré z najvýznamnejších zahŕňajú:

• zk-SNARKs (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive ARguments of Knowledge): Známe svojou malou veľkosťou dôkazov a rýchlou dobou overovania, vďaka čomu sú vhodné pre aplikácie v reťazci. Vyžadujú si však dôveryhodné nastavenie.
• zk-STARKs (Zero-Knowledge Scalable Transparent ARguments of Knowledge): Ponúkajú väčšiu škálovateľnosť a transparentnosť, pretože si nevyžadujú dôveryhodné nastavenie. Všeobecne však vedú k väčším veľkostiam dôkazov.
• Sigma protokoly: Interaktívne protokoly, ktoré je možné urobiť neinteraktívnymi pomocou heuristiky Fiat-Shamir.

Prečo TypeScript pre dôkazy s nulovou znalosťou?

TypeScript prináša niekoľko výhod pre vývoj aplikácií ZKP:

• Bezpečnosť typov: Statický systém typov TypeScript pomáha zachytiť chyby už v počiatočnej fáze vývoja, čím sa znižuje riziko chýb a zlepšuje spoľahlivosť kódu. To je rozhodujúce pri práci so zložitými kryptografickými algoritmami.
• Udržiavateľnosť kódu: Podpora TypeScript pre objektovo orientované programovanie a modularitu uľahčuje pochopenie, údržbu a rozšírenie kódu.
• Vylepšená skúsenosť vývojára: TypeScript poskytuje vynikajúce nástroje vrátane automatického dopĺňania, refaktoringu a podpory ladenia, čo zvyšuje produktivitu vývojára.
• Kompatibilita s JavaScriptom: TypeScript sa kompiluje do JavaScriptu, čo zaisťuje kompatibilitu so širokou škálou platforiem a prehliadačov.

Nastavenie vývojového prostredia TypeScript ZKP

Pred ponorením sa do kódu si nastavme naše vývojové prostredie. Budeme potrebovať Node.js, npm (alebo yarn) a editor kódu ako VS Code.

1. Inštalácia Node.js a npm: Stiahnite a nainštalujte Node.js z oficiálnej webovej stránky (nodejs.org). npm je zvyčajne súčasťou Node.js.
2. Inštalácia TypeScript: Otvorte terminál a spustite: npm install -g typescript
3. Inštalácia Circom a SnarkJS (ak používate zk-SNARKs): Tieto nástroje sú nevyhnutné na definovanie a kompiláciu obvodov pre zk-SNARKs. Nainštalujte ich globálne pomocou: npm install -g circom snarkjs
4. Vytvorte nový projekt TypeScript: Vytvorte nový adresár pre svoj projekt a inicializujte projekt TypeScript: mkdir my-zkp-project && cd my-zkp-project && tsc --init
5. Inštalácia potrebných knižníc: Nainštalujte všetky ďalšie potrebné knižnice, ako napríklad tie na spracovanie veľkých čísel alebo vykonávanie kryptografických operácií. Napríklad: npm install snarkjs circomlib @noble/curves

Príklad: Jednoduchý zk-SNARK s TypeScript

Použime jednoduchý príklad zk-SNARK pomocou Circom a SnarkJS. Tento príklad demonštruje dokazovanie znalosti tajnej hodnoty 'x' takej, 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`. Cieľom je dokázať znalosť 'x' bez odhalenia jeho hodnoty.

2. Kompilácia obvodu Circom:

Použite kompilátor Circom na generovanie reprezentácie R1CS (Rank-1 Constraint System) a kódu WASM:

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

3. Vygenerovanie kľúčov na dokazovanie a overovanie:

SnarkJS sa používa na vykonanie dôveryhodného nastavenia a generovanie kľúčov na dokazovanie a overovanie. Dôležité: V produkčnom prostredí by sa malo použiť zabezpečené viacstranné výpočty (MPC) pre dôveryhodné nastavenie, aby sa predišlo zraniteľnostiam.

```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. Vygenerovanie svedka:

Vytvorte súbor TypeScript (napr. `generate_witness.ts`) na generovanie svedka, ktorý obsahuje hodnoty všetkých signálov v obvode pre 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("Svedok bol úspešne vygenerovaný!"); } generateWitness(); ```

Nainštalujte `snarkjs` pomocou npm: npm install snarkjs. Potom spustite súbor TypeScript: ts-node generate_witness.ts. Možno budete musieť nainštalovať `ts-node`: npm install -g ts-node

5. Vygenerovanie dôkazu:

Upravte súbor `generate_witness.ts` tak, aby generoval aj dôkaz:

```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("Dôkaz bol úspešne vygenerovaný!"); } generateWitnessAndProof(); ```

Spustite skript: ts-node generate_witness.ts.

6. Overenie dôkazu:

Vytvorte ďalší súbor TypeScript (napr. `verify_proof.ts`) na overenie vygenerovaného dôkazu.

```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("Dôkaz bol úspešne overený!"); } else { console.log("Overenie dôkazu zlyhalo."); } } verifyProof(); ```

Pred spustením overovacieho skriptu exportujte overovací kľúč zo súboru `.zkey`:

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

Spustite overovací skript: ts-node verify_proof.ts.

Tento príklad demonštruje základný pracovný postup pri vytváraní a overovaní zk-SNARK pomocou Circom, SnarkJS a TypeScript. Hoci ide o zjednodušený príklad, zdôrazňuje kľúčové kroky, ktoré súvisia.

Príklady použitia TypeScript ZKP v reálnom svete

ZKP nachádzajú uplatnenie v rôznych odvetviach:

• Decentralizované financie (DeFi): Ochrana súkromia používateľov v protokoloch DeFi, umožnenie dôverných transakcií a overenie zábezpeky pôžičiek bez odhalenia citlivých informácií. Napríklad, utajenie súm transakcií a identít odosielateľov/prijímateľov na decentralizovaných burzách (DEX).
• Riadenie dodávateľského reťazca: Overenie pravosti a pôvodu tovaru bez odhalenia citlivých informácií o dodávateľovi. To môže pomôcť zabrániť falšovaniu a zabezpečiť etické obstarávanie. Napríklad preukázanie pôvodu a certifikácií produktu bez odhalenia konkrétnych detailov o továrni.
• Volebné systémy: Budovanie bezpečných a súkromných systémov elektronického hlasovania, kde je možné overiť hlasy bez odhalenia individuálnych preferencií voličov. To zabezpečuje spravodlivé a transparentné voľby.
• Zdravotníctvo: Bezpečné a súkromné zdieľanie zdravotných údajov. Pacienti môžu dokázať, že spĺňajú určité zdravotné kritériá, bez toho, aby odhalili celú svoju zdravotnú históriu. Napríklad preukázanie imunity voči chorobe bez odhalenia iných zdravotných problémov.
• Riadenie identity: Overenie identity používateľa bez odhalenia citlivých osobných údajov. Používatelia môžu dokázať, že majú viac ako určitý vek, bez toho, aby prezradili presný dátum narodenia.
• Strojové učenie: Overenie integrity modelov a dátových sád strojového učenia bez odhalenia základných údajov. To je rozhodujúce pre zabezpečenie spravodlivosti a predchádzanie zaujatosti.

Rozšírené témy a úvahy

Okrem základov stojí za preskúmanie niekoľko pokročilých tém:

• Výber správneho systému ZKP: Výber vhodného systému ZKP (zk-SNARKs, zk-STARKs atď.) závisí od špecifických požiadaviek aplikácie, berúc do úvahy faktory ako veľkosť dôkazu, doba overovania a bezpečnostné predpoklady.
• Implementácia vlastných obvodov: Návrh efektívnych a bezpečných obvodov je rozhodujúci pre optimalizáciu výkonu ZKP. To si vyžaduje hlboké pochopenie základných kryptografických princípov a starostlivé zváženie obmedzení.
• Spracovanie rozsiahlych dátových sád: Spracovanie rozsiahlych dátových sád v aplikáciách ZKP môže byť náročné. Techniky ako Merkleho stromy a rekurzívne ZKP sa dajú použiť na zlepšenie škálovateľnosti.
• Bezpečnostné audity: Dôkladné bezpečnostné audity sú nevyhnutné na identifikáciu a zmiernenie potenciálnych zraniteľností v implementáciách ZKP. Zapojte skúsených bezpečnostných výskumníkov, aby preskúmali váš kód a návrhy obvodov.
• Optimalizácia výkonu: Optimalizácia výkonu aplikácií ZKP je kritická pre nasadenie v reálnom svete. Profilovanie vášho kódu a obvodov vám môže pomôcť identifikovať úzke miesta a oblasti na zlepšenie.

Osvedčené postupy pri vývoji aplikácií TypeScript ZKP

Tu je niekoľko osvedčených postupov, ktoré by ste mali dodržiavať pri vývoji aplikácií TypeScript ZKP:

• Uprednostňujte bezpečnosť: Bezpečnosť by mala byť najvyššou prioritou počas celého procesu vývoja. Používajte zavedené kryptografické knižnice a dodržiavajte osvedčené postupy v oblasti bezpečnosti.
• Píšte jasný a stručný kód: Píšte kód, ktorý je ľahko zrozumiteľný a udržiavateľný. Používajte zmysluplné názvy premenných a pridajte komentáre na vysvetlenie zložitej logiky.
• Dôkladne testujte: Dôkladne otestujte svoj kód, aby ste sa uistili, že funguje správne a je odolný voči útokom. Použite jednotkové testy, integračné testy a fuzz testovanie na pokrytie rôznych scenárov.
• Dokumentujte svoj kód: Dokumentujte svoj kód jasne a komplexne. Uveďte podrobné vysvetlenia návrhu obvodu, kryptografických protokolov a použitia API.
• Zostaňte informovaní: Oblasť ZKP sa neustále vyvíja. Zostaňte informovaní o najnovšom výskume a vývoji, aby ste zaistili, že vaše aplikácie zostanú bezpečné a efektívne.
• Použite linting a formátovanie: Vynúťte konzistentný štýl kódu pomocou linters a formátovačov (napr. ESLint, Prettier).
• Modulárny dizajn: Rozdeľte svoj kód do menších, opakovane použiteľných modulov, aby ste zlepšili udržiavateľnosť a testovateľnosť.

Záver

Dôkazy s nulovou znalosťou sú výkonná technológia s potenciálom priniesť revolúciu do ochrany súkromia a bezpečnosti v rôznych oblastiach. Využitím bezpečnosti typov a funkcií priateľských pre vývojárov TypeScript môžeme budovať robustné a spoľahlivé aplikácie ZKP. Zatiaľ čo vývoj aplikácií ZKP si vyžaduje starostlivú pozornosť venovanú detailom a silné chápanie kryptografie, výhody zvýšenej ochrany súkromia a bezpečnosti z neho robia cenné úsilie. Keď technológia dozrieva a vylepšujú sa nástroje, môžeme očakávať ešte širšie prijatie ZKP v budúcnosti, čo používateľom umožní väčšiu kontrolu nad ich údajmi a podporí bezpečnejší a dôveryhodnejší digitálny svet.

Tento príspevok poskytuje východiskový bod pre objavovanie sveta TypeScript ZKP. Pokračujte v učení, experimentovaní a prispievaní do rastúcej komunity, aby ste pomohli formovať budúcnosť technológií na ochranu súkromia.