Докази з нульовим розголошенням на TypeScript: Технологія конфіденційності з типізацією

У сучасному цифровому світі конфіденційність має першочергове значення. Як розробники, ми несемо відповідальність за створення додатків, які захищають дані користувачів та забезпечують безпечну взаємодію. Докази з нульовим розголошенням (ZKPs) — це криптографічна техніка, яка дозволяє одній стороні (провайдеру) довести іншій стороні (верифікатору), що твердження є істинним, не розкриваючи жодної інформації, окрім достовірності самого твердження. Ця технологія революціонізує різні галузі, від фінансів та охорони здоров'я до систем голосування та управління ланцюгами поставок.

Ця стаття заглиблюється у світ ZKPs, зосереджуючись на їхньому впровадженні та використанні з TypeScript. TypeScript, з його надійною системою типів, забезпечує потужне середовище для розробки безпечних та надійних ZKP-додатків. Ми розглянемо фундаментальні концепції, практичні приклади та переваги поєднання ZKPs з функціями безпеки типів TypeScript.

Що таке докази з нульовим розголошенням?

В основі своїй доказ з нульовим розголошенням — це протокол між двома сторонами: провайдером і верифікатором. Провайдер прагне переконати верифікатора в тому, що він володіє певними знаннями або відповідає певній умові, не розкриваючи самих знань. Уявіть сценарій, коли Аліса хоче довести Бобу, що вона знає розв'язання судоку, не показуючи йому розв'язання. ZKPs дозволяють їй зробити саме це.

Ключові властивості доказів з нульовим розголошенням:

• Повнота: Якщо твердження істинне, чесний провайдер може переконати чесного верифікатора.
• Необґрунтованість: Якщо твердження хибне, жоден провайдер не може переконати чесного верифікатора.
• Нульове розголошення: Верифікатор не дізнається нічого, крім достовірності твердження.

Типи доказів з нульовим розголошенням:

Існує кілька типів ZKPs, кожен з яких має свої сильні та слабкі сторони. Деякі з найвидатніших включають:

• zk-SNARKs (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive ARguments of Knowledge): Відомі своїм малим розміром доказу та швидким часом перевірки, що робить їх придатними для он-чейн додатків. Однак вони часто вимагають довіреної початкової настройки.
• zk-STARKs (Zero-Knowledge Scalable Transparent ARguments of Knowledge): Пропонують більшу масштабованість та прозорість, оскільки не вимагають довіреної початкової настройки. Однак вони, як правило, призводять до більших розмірів доказів.
• Сигма-протоколи: Інтерактивні протоколи, які можна зробити неінтерактивними за допомогою ейристики Фіата-Шаміра.

Чому TypeScript для доказів з нульовим розголошенням?

TypeScript надає кілька переваг для розробки ZKP-додатків:

• Безпека типів: Система статичної типізації TypeScript допомагає виявляти помилки на ранніх стадіях процесу розробки, зменшуючи ризик помилок та підвищуючи надійність коду. Це має вирішальне значення при роботі зі складними криптографічними алгоритмами.
• Підтримка коду: Підтримка TypeScript для об'єктно-орієнтованого програмування та модульності робить код легшим для розуміння, підтримки та розширення.
• Покращений досвід розробника: TypeScript надає чудові інструменти, включаючи автодоповнення, рефакторинг та підтримку налагодження, що підвищує продуктивність розробника.
• Сумісність з JavaScript: TypeScript компілюється в JavaScript, забезпечуючи сумісність із широким спектром платформ та браузерів.

Налаштування середовища розробки ZKP на TypeScript

Перш ніж перейти до коду, налаштуємо наше середовище розробки. Нам знадобляться Node.js, npm (або yarn) та редактор коду, як-от VS Code.

1. Встановіть Node.js та npm: Завантажте та встановіть Node.js з офіційного сайту (nodejs.org). npm зазвичай постачається разом з Node.js.
2. Встановіть TypeScript: Відкрийте термінал та виконайте: npm install -g typescript
3. Встановіть Circom та SnarkJS (якщо використовуєте zk-SNARKs): Ці інструменти необхідні для визначення та компіляції схем для zk-SNARKs. Встановіть їх глобально за допомогою: npm install -g circom snarkjs
4. Створіть новий проект TypeScript: Створіть нову директорію для вашого проекту та ініціалізуйте проект TypeScript: mkdir my-zkp-project && cd my-zkp-project && tsc --init
5. Встановіть необхідні бібліотеки: Встановіть будь-які інші необхідні бібліотеки, такі як ті, що використовуються для обробки великих чисел або виконання криптографічних операцій. Наприклад: npm install snarkjs circomlib @noble/curves

Приклад: Простий zk-SNARK з TypeScript

Проілюструємо простий приклад zk-SNARK з використанням Circom та SnarkJS. Цей приклад демонструє доведення знання секретного значення 'x', такого що x * x * x + x == 35.

1. Визначте схему 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(); ```

Ця схема визначає просту обчислювальну операцію: `x^3 + x = 35`. Мета полягає в тому, щоб довести знання 'x' без розкриття його значення.

2. Скомпілюйте схему Circom:

Використовуйте компілятор Circom для генерації представлення R1CS (Rank-1 Constraint System) та WASM-коду:

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

3. Згенеруйте ключі для доведення та перевірки:

SnarkJS використовується для виконання довіреної початкової настройки та генерації ключів для доведення та перевірки. Важливо: У продакшн-середовищі для довіреної початкової настройки слід використовувати безпечні багатосторонні обчислення (MPC) для запобігання вразливостям.

```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. Згенеруйте свідоцтво (witness):

Створіть файл TypeScript (наприклад, `generate_witness.ts`) для генерації свідоцтва, яке містить значення всіх сигналів у схемі для заданого входу.

```typescript import { groth16 } from 'snarkjs'; import * as fs from 'fs'; async function generateWitness() { const input = { x: 3 }; // Секретне значення '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(); ```

Встановіть `snarkjs` за допомогою npm: npm install snarkjs. Потім запустіть файл TypeScript: ts-node generate_witness.ts. Можливо, вам доведеться встановити `ts-node`: npm install -g ts-node

5. Згенеруйте доказ:

Змініть файл `generate_witness.ts`, щоб він також генерував доказ:

```typescript import { groth16 } from 'snarkjs'; import * as fs from 'fs'; async function generateWitnessAndProof() { const input = { x: 3 }; // Секретне значення '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(); ```

Запустіть скрипт: ts-node generate_witness.ts.

6. Перевірте доказ:

Створіть інший файл TypeScript (наприклад, `verify_proof.ts`) для перевірки згенерованого доказу.

```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(); ```

Перед запуском скрипта перевірки експортуйте ключ перевірки з файлу `.zkey`:

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

Запустіть скрипт перевірки: ts-node verify_proof.ts.

Цей приклад демонструє базовий робочий процес створення та перевірки zk-SNARK за допомогою Circom, SnarkJS та TypeScript. Хоча це спрощений приклад, він висвітлює ключові кроки.

Реальні випадки використання ZKP на TypeScript

ZKPs знаходять застосування в різних галузях:

• Децентралізовані фінанси (DeFi): Захист конфіденційності користувачів у DeFi-протоколах, забезпечення конфіденційних транзакцій та перевірка застави кредиту без розкриття конфіденційної інформації. Наприклад, приховування сум транзакцій та ідентичностей відправників/отримувачів на децентралізованих біржах (DEXs).
• Управління ланцюгами поставок: Перевірка автентичності та походження товарів без розкриття конфіденційної інформації про постачальників. Це може допомогти запобігти підробкам та забезпечити етичне постачання. Наприклад, доведення походження продукту та його сертифікатів без розкриття деталей конкретної фабрики.
• Системи голосування: Створення безпечних та приватних систем електронного голосування, де голоси можна перевірити без розкриття індивідуальних переваг виборців. Це забезпечує чесні та прозорі вибори.
• Охорона здоров'я: Безпечний та приватний обмін медичними даними. Пацієнти можуть довести, що вони відповідають певним критеріям здоров'я, не розкриваючи всю свою медичну історію. Наприклад, доведення імунітету до хвороби без розкриття інших медичних станів.
• Управління ідентифікацією: Перевірка особистості користувача без розкриття конфіденційної особистої інформації. Користувачі можуть довести, що вони старше певного віку, не розкриваючи точну дату свого народження.
• Машинне навчання: Перевірка цілісності моделей машинного навчання та наборів даних без розкриття вихідних даних. Це має вирішальне значення для забезпечення справедливості та запобігання упередженості.

Розширені теми та міркування

Окрім основ, варто розглянути кілька розширених тем:

• Вибір правильної системи ZKP: Вибір відповідної системи ZKP (zk-SNARKs, zk-STARKs тощо) залежить від конкретних вимог додатку, враховуючи такі фактори, як розмір доказу, час перевірки та припущення щодо безпеки.
• Впровадження користувацьких схем: Розробка ефективних та безпечних схем є критично важливою для оптимізації продуктивності ZKP. Це вимагає глибокого розуміння вихідних криптографічних принципів та ретельного розгляду обмежень.
• Обробка великих наборів даних: Обробка великих наборів даних у ZKP-додатках може бути складним завданням. Техніки, такі як дерева Меркла та рекурсивні ZKPs, можуть бути використані для покращення масштабованості.
• Аудит безпеки: Ретельні аудити безпеки є необхідними для виявлення та усунення потенційних вразливостей у ZKP-реалізаціях. Залучайте досвідчених дослідників безпеки для перегляду вашого коду та дизайнів схем.
• Оптимізація продуктивності: Оптимізація продуктивності ZKP-додатків має вирішальне значення для розгортання у реальному світі. Профілювання вашого коду та схем може допомогти виявити вузькі місця та області для вдосконалення.

Найкращі практики для розробки ZKP-додатків на TypeScript

Ось кілька найкращих практик, яких слід дотримуватися при розробці ZKP-додатків на TypeScript:

• Пріоритезуйте безпеку: Безпека повинна бути головним пріоритетом протягом усього процесу розробки. Використовуйте встановлені криптографічні бібліотеки та дотримуйтесь найкращих практик безпеки.
• Пишіть зрозумілий та лаконічний код: Пишіть код, який легко зрозуміти та підтримувати. Використовуйте значущі назви змінних та додавайте коментарі для пояснення складної логіки.
• Ретельно тестуйте: Ретельно тестуйте свій код, щоб переконатися, що він працює належним чином і стійкий до атак. Використовуйте модульні тести, інтеграційні тести та фаззінг-тестування для охоплення різних сценаріїв.
• Документуйте свій код: Документуйте свій код чітко та всебічно. Надайте детальні пояснення дизайну схеми, криптографічних протоколів та використання API.
• Залишайтеся в курсі: Галузь ZKP постійно розвивається. Будьте в курсі останніх досліджень та розробок, щоб ваші додатки залишалися безпечними та ефективними.
• Використовуйте лінтери та форматування: Забезпечте послідовний стиль коду за допомогою лінтерів та форматерів (наприклад, ESLint, Prettier).
• Модульний дизайн: Розділіть свій код на менші, багаторазові модулі для покращення підтримки та тестування.

Висновок

Докази з нульовим розголошенням — це потужна технологія з потенціалом революціонізувати конфіденційність та безпеку в різних галузях. Використовуючи типізацію та зручні для розробників функції TypeScript, ми можемо створювати надійні та надійні ZKP-додатки. Хоча розробка ZKP-додатків вимагає ретельної уваги до деталей та глибокого розуміння криптографії, переваги покращеної конфіденційності та безпеки роблять її вартим зусиллям. Оскільки технологія дозріває та інструментарій покращується, ми можемо очікувати ще ширшого впровадження ZKPs у майбутньому, що надасть користувачам більший контроль над їхніми даними та сприятиме безпечнішому та надійнішому цифровому світу.

Ця стаття надає відправну точку для вивчення світу ZKP на TypeScript. Продовжуйте вчитися, експериментувати та робити внесок у зростаючу спільноту, щоб допомогти формувати майбутнє технологій, що підвищують конфіденційність.