Bằng Chứng Tri Thức Không (Zero-Knowledge Proofs) TypeScript: Công Nghệ Quyền Riêng Tư với An Toàn Kiểu Dữ Liệu

Trong bối cảnh kỹ thuật số hiện nay, quyền riêng tư là tối quan trọng. Với tư cách là nhà phát triển, chúng ta có trách nhiệm xây dựng các ứng dụng bảo vệ dữ liệu người dùng và đảm bảo các tương tác an toàn. Bằng Chứng Tri Thức Không (ZKPs) là một kỹ thuật mật mã cho phép một bên (người chứng minh) chứng minh với một bên khác (người xác minh) rằng một tuyên bố là đúng, mà không tiết lộ bất kỳ thông tin nào ngoài tính hợp lệ của chính tuyên bố đó. Công nghệ này đang cách mạng hóa nhiều ngành công nghiệp khác nhau, từ tài chính và chăm sóc sức khỏe đến hệ thống bỏ phiếu và quản lý chuỗi cung ứng.

Bài đăng trên blog này đi sâu vào thế giới của ZKPs, tập trung vào việc triển khai và sử dụng chúng với TypeScript. TypeScript, với hệ thống kiểu dữ liệu mạnh mẽ của nó, cung cấp một môi trường mạnh mẽ để phát triển các ứng dụng ZKP an toàn và đáng tin cậy. Chúng ta sẽ khám phá các khái niệm cơ bản, ví dụ thực tế và những lợi thế của việc kết hợp ZKPs với các tính năng an toàn kiểu dữ liệu của TypeScript.

Bằng Chứng Tri Thức Không là gì?

Về cốt lõi, Bằng Chứng Tri Thức Không là một giao thức giữa hai bên: một người chứng minh và một người xác minh. Người chứng minh nhằm mục đích thuyết phục người xác minh rằng họ sở hữu kiến thức nhất định hoặc đáp ứng một điều kiện cụ thể, mà không tiết lộ chính kiến thức đó. Hãy tưởng tượng một tình huống trong đó Alice muốn chứng minh với Bob rằng cô ấy biết đáp án của câu đố Sudoku, mà không cho anh ta xem đáp án. ZKPs cho phép cô ấy làm điều đó.

Các Thuộc Tính Chính của Bằng Chứng Tri Thức Không:

• Hoàn thiện: Nếu tuyên bố là đúng, một người chứng minh trung thực có thể thuyết phục một người xác minh trung thực.
• Tính đúng đắn: Nếu tuyên bố là sai, không có người chứng minh nào có thể thuyết phục một người xác minh trung thực.
• Tri thức không: Người xác minh không học được gì ngoài tính hợp lệ của tuyên bố.

Các loại Bằng Chứng Tri Thức Không:

Một số loại ZKPs tồn tại, mỗi loại có những điểm mạnh và điểm yếu riêng. Một số loại nổi bật nhất bao gồm:

• zk-SNARKs (Đối số Tri thức Rút gọn Không Tương tác Không Tri thức): Được biết đến với kích thước bằng chứng nhỏ và thời gian xác minh nhanh, khiến chúng phù hợp với các ứng dụng trên chuỗi. Tuy nhiên, chúng thường yêu cầu một thiết lập đáng tin cậy.
• zk-STARKs (Đối số Tri thức Minh bạch Khả năng Mở rộng Không Tri thức): Cung cấp khả năng mở rộng và minh bạch lớn hơn, vì chúng không yêu cầu một thiết lập đáng tin cậy. Tuy nhiên, chúng thường dẫn đến kích thước bằng chứng lớn hơn.
• Giao thức Sigma: Các giao thức tương tác có thể được thực hiện không tương tác bằng cách sử dụng phương pháp heuristic Fiat-Shamir.

Tại sao lại là TypeScript cho Bằng Chứng Tri Thức Không?

TypeScript mang lại một số lợi thế cho việc phát triển các ứng dụng ZKP:

• An toàn kiểu dữ liệu: Hệ thống gõ tĩnh của TypeScript giúp phát hiện lỗi sớm trong quá trình phát triển, giảm thiểu rủi ro lỗi và cải thiện độ tin cậy của mã. Điều này rất quan trọng khi xử lý các thuật toán mật mã phức tạp.
• Khả năng bảo trì mã: Hỗ trợ của TypeScript cho lập trình hướng đối tượng và tính mô-đun giúp mã dễ hiểu, bảo trì và mở rộng hơn.
• Cải thiện trải nghiệm nhà phát triển: TypeScript cung cấp các công cụ tuyệt vời, bao gồm tự động hoàn thành, tái cấu trúc và hỗ trợ gỡ lỗi, nâng cao năng suất của nhà phát triển.
• Tương thích JavaScript: TypeScript biên dịch thành JavaScript, đảm bảo khả năng tương thích với nhiều nền tảng và trình duyệt.

Thiết lập môi trường phát triển ZKP TypeScript

Trước khi đi sâu vào mã, hãy thiết lập môi trường phát triển của chúng ta. Chúng ta sẽ cần Node.js, npm (hoặc yarn) và một trình soạn thảo mã như VS Code.

1. Cài đặt Node.js và npm: Tải xuống và cài đặt Node.js từ trang web chính thức (nodejs.org). npm thường được bao gồm với Node.js.
2. Cài đặt TypeScript: Mở một thiết bị đầu cuối và chạy: npm install -g typescript
3. Cài đặt Circom và SnarkJS (nếu sử dụng zk-SNARKs): Các công cụ này rất cần thiết để xác định và biên dịch các mạch cho zk-SNARKs. Cài đặt chúng trên toàn cầu bằng cách sử dụng: npm install -g circom snarkjs
4. Tạo một dự án TypeScript mới: Tạo một thư mục mới cho dự án của bạn và khởi tạo một dự án TypeScript: mkdir my-zkp-project && cd my-zkp-project && tsc --init
5. Cài đặt các thư viện cần thiết: Cài đặt bất kỳ thư viện nào khác cần thiết, chẳng hạn như các thư viện để xử lý số lớn hoặc thực hiện các hoạt động mật mã. Ví dụ: npm install snarkjs circomlib @noble/curves

Ví dụ: Một zk-SNARK đơn giản với TypeScript

Hãy minh họa một ví dụ zk-SNARK cơ bản bằng cách sử dụng Circom và SnarkJS. Ví dụ này chứng minh kiến thức về một giá trị bí mật 'x' sao cho x * x * x + x == 35.

1. Xác định mạch 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(); ```

Mạch này xác định một phép tính đơn giản: `x^3 + x = 35`. Mục tiêu là chứng minh kiến thức về 'x' mà không tiết lộ giá trị của nó.

2. Biên dịch mạch Circom:

Sử dụng trình biên dịch Circom để tạo biểu diễn R1CS (Hệ thống ràng buộc hạng 1) và mã WASM:

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

3. Tạo các khóa Chứng minh và Xác minh:

SnarkJS được sử dụng để thực hiện thiết lập đáng tin cậy và tạo các khóa chứng minh và xác minh. Quan trọng: Trong môi trường sản xuất, một phép tính đa bên (MPC) an toàn nên được sử dụng để thiết lập đáng tin cậy để ngăn chặn các lỗ hổng.

```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. Tạo Nhân chứng:

Tạo một tệp TypeScript (ví dụ: `generate_witness.ts`) để tạo nhân chứng, chứa các giá trị của tất cả các tín hiệu trong mạch cho một đầu vào nhất định.

```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(); ```

Cài đặt `snarkjs` bằng npm: npm install snarkjs. Sau đó, chạy tệp TypeScript: ts-node generate_witness.ts. Bạn có thể cần cài đặt `ts-node`: npm install -g ts-node

5. Tạo Bằng chứng:

Sửa đổi tệp `generate_witness.ts` để cũng tạo ra bằng chứng:

```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(); ```

Chạy tập lệnh: ts-node generate_witness.ts.

6. Xác minh Bằng chứng:

Tạo một tệp TypeScript khác (ví dụ: `verify_proof.ts`) để xác minh bằng chứng được tạo.

```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(); ```

Trước khi chạy tập lệnh xác minh, hãy xuất khóa xác minh từ tệp `.zkey`:

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

Chạy tập lệnh xác minh: ts-node verify_proof.ts.

Ví dụ này minh họa quy trình làm việc cơ bản để tạo và xác minh zk-SNARK bằng Circom, SnarkJS và TypeScript. Mặc dù đây là một ví dụ đơn giản hóa, nó làm nổi bật các bước chính liên quan.

Các Trường hợp Sử dụng Thực tế của ZKPs TypeScript

ZKPs đang tìm thấy các ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau:

• Tài chính Phi tập trung (DeFi): Bảo vệ quyền riêng tư của người dùng trong các giao thức DeFi, cho phép các giao dịch bí mật và xác minh tài sản thế chấp khoản vay mà không tiết lộ thông tin nhạy cảm. Ví dụ: che giấu số tiền giao dịch và danh tính người gửi/người nhận trên các sàn giao dịch phi tập trung (DEX).
• Quản lý Chuỗi cung ứng: Xác minh tính xác thực và nguồn gốc của hàng hóa mà không tiết lộ thông tin nhà cung cấp nhạy cảm. Điều này có thể giúp ngăn chặn hàng giả và đảm bảo tìm nguồn cung ứng có đạo đức. Ví dụ: chứng minh nguồn gốc và chứng nhận của một sản phẩm mà không tiết lộ chi tiết nhà máy cụ thể.
• Hệ thống Bỏ phiếu: Xây dựng các hệ thống bỏ phiếu điện tử an toàn và riêng tư, nơi các phiếu bầu có thể được xác minh mà không tiết lộ các tùy chọn bỏ phiếu của từng cử tri. Điều này đảm bảo các cuộc bầu cử công bằng và minh bạch.
• Chăm sóc sức khỏe: Chia sẻ dữ liệu y tế một cách an toàn và riêng tư. Bệnh nhân có thể chứng minh rằng họ đáp ứng các tiêu chí sức khỏe nhất định mà không tiết lộ toàn bộ tiền sử bệnh án của họ. Ví dụ: chứng minh khả năng miễn dịch với một căn bệnh mà không tiết lộ các tình trạng y tế khác.
• Quản lý Danh tính: Xác minh danh tính người dùng mà không tiết lộ thông tin cá nhân nhạy cảm. Người dùng có thể chứng minh rằng họ trên một độ tuổi nhất định mà không tiết lộ ngày sinh chính xác của họ.
• Máy học: Xác minh tính toàn vẹn của các mô hình và bộ dữ liệu máy học mà không tiết lộ dữ liệu cơ bản. Điều này rất quan trọng để đảm bảo tính công bằng và ngăn chặn sự thiên vị.

Các Chủ đề và Cân nhắc Nâng cao

Ngoài những điều cơ bản, một số chủ đề nâng cao đáng để khám phá:

• Chọn đúng Hệ thống ZKP: Việc chọn hệ thống ZKP thích hợp (zk-SNARKs, zk-STARKs, v.v.) phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể của ứng dụng, xem xét các yếu tố như kích thước bằng chứng, thời gian xác minh và các giả định về bảo mật.
• Triển khai các mạch tùy chỉnh: Thiết kế các mạch hiệu quả và an toàn là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất ZKP. Điều này đòi hỏi phải hiểu sâu sắc các nguyên tắc mật mã cơ bản và xem xét cẩn thận các ràng buộc.
• Xử lý các bộ dữ liệu lớn: Xử lý các bộ dữ liệu lớn trong các ứng dụng ZKP có thể là một thách thức. Các kỹ thuật như cây Merkle và ZKPs đệ quy có thể được sử dụng để cải thiện khả năng mở rộng.
• Kiểm toán bảo mật: Kiểm toán bảo mật kỹ lưỡng là điều cần thiết để xác định và giảm thiểu các lỗ hổng tiềm ẩn trong việc triển khai ZKP. Tham gia với các nhà nghiên cứu bảo mật có kinh nghiệm để xem xét mã và thiết kế mạch của bạn.
• Tối ưu hóa hiệu suất: Tối ưu hóa hiệu suất của các ứng dụng ZKP là rất quan trọng để triển khai trong thế giới thực. Việc lập hồ sơ mã và mạch của bạn có thể giúp xác định các nút cổ chai và các khu vực cần cải thiện.

Các Phương pháp hay nhất để Phát triển Ứng dụng ZKP TypeScript

Dưới đây là một số phương pháp hay nhất cần tuân theo khi phát triển các ứng dụng ZKP TypeScript:

• Ưu tiên Bảo mật: Bảo mật phải là ưu tiên hàng đầu trong suốt quá trình phát triển. Sử dụng các thư viện mật mã đã được thiết lập và tuân theo các phương pháp hay nhất về bảo mật.
• Viết Mã rõ ràng và ngắn gọn: Viết mã dễ hiểu và bảo trì. Sử dụng tên biến có ý nghĩa và thêm nhận xét để giải thích logic phức tạp.
• Kiểm tra kỹ lưỡng: Kiểm tra kỹ lưỡng mã của bạn để đảm bảo nó hoạt động chính xác và chống lại các cuộc tấn công. Sử dụng các bài kiểm tra đơn vị, kiểm tra tích hợp và kiểm tra fuzz để bao gồm các kịch bản khác nhau.
• Tài liệu Mã của bạn: Ghi lại mã của bạn một cách rõ ràng và toàn diện. Cung cấp các giải thích chi tiết về thiết kế mạch, giao thức mật mã và cách sử dụng API.
• Luôn cập nhật: Lĩnh vực ZKPs không ngừng phát triển. Luôn cập nhật những nghiên cứu và phát triển mới nhất để đảm bảo các ứng dụng của bạn luôn an toàn và hiệu quả.
• Sử dụng Linter và Định dạng: Thực thi kiểu mã nhất quán bằng cách sử dụng trình kiểm tra và trình định dạng (ví dụ: ESLint, Prettier).
• Thiết kế Mô-đun: Chia nhỏ mã của bạn thành các mô-đun nhỏ hơn, có thể tái sử dụng để cải thiện khả năng bảo trì và khả năng kiểm tra.

Kết luận

Bằng Chứng Tri Thức Không là một công nghệ mạnh mẽ có khả năng cách mạng hóa quyền riêng tư và bảo mật trong các lĩnh vực khác nhau. Bằng cách tận dụng các tính năng an toàn kiểu dữ liệu và thân thiện với nhà phát triển của TypeScript, chúng ta có thể xây dựng các ứng dụng ZKP mạnh mẽ và đáng tin cậy. Mặc dù việc phát triển các ứng dụng ZKP đòi hỏi sự chú ý đến từng chi tiết và sự hiểu biết sâu sắc về mật mã học, nhưng những lợi ích của việc tăng cường quyền riêng tư và bảo mật khiến nó trở thành một nỗ lực đáng giá. Khi công nghệ trưởng thành và các công cụ được cải thiện, chúng ta có thể mong đợi việc áp dụng ZKPs rộng rãi hơn nữa trong tương lai, trao quyền cho người dùng kiểm soát nhiều hơn đối với dữ liệu của họ và thúc đẩy một thế giới kỹ thuật số an toàn và đáng tin cậy hơn.

Bài đăng này cung cấp một điểm khởi đầu để khám phá thế giới ZKPs TypeScript. Tiếp tục học hỏi, thử nghiệm và đóng góp cho cộng đồng đang phát triển để giúp định hình tương lai của các công nghệ tăng cường quyền riêng tư.