إثبات المعرفة الصفرية: ثورة حماية الخصوصية وثقة البلوكشين

تخيل أنك بحاجة لإثبات لصديق أنك تمتلك سرًا معينًا، لكنك لا تريد الكشف عن هذا السر نفسه—هذا الطلب الذي يبدو متناقضًا هو بالضبط المشكلة التي تحلها تقنية الإثبات بدون معرفة. الإثبات بدون معرفة هو تقنية في علم التشفير تتيح لطرف أن يثبت لطرف آخر صحة ادعاء معين دون أن يكشف عن أي معلومات تفصيلية. هذا المفهوم، الذي طرحه لأول مرة كل من شافي غولدواسر وسيلفيو ميكالي من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في عام 1985، أصبح تقنية رئيسية في مجالات البلوكشين وحماية الخصوصية.

فهم جوهر الإثبات بدون معرفة من خلال الحياة اليومية

جاذبية الإثبات بدون معرفة تكمن في قابليته الواسعة للتطبيق. تخيل سيناريو بسيط: تريد إثبات أنك تجيد الطهي، لكنك لا تريد أن يراك أفراد عائلتك وأنت في المطبخ بشكل غير مرتب. الحل الأنيق هو أن تدخل المطبخ بمفردك، وفي النهاية تقدم طبقًا جاهزًا، وهذا يكفي لإثبات مهارتك في الطهي، دون الكشف عن تفاصيل العملية.

هذه هي روعة الإثبات بدون معرفة. فهو يبني آلية ثقة بين الطرفين تقلل من تبادل المعلومات إلى الحد الأدنى. يمكن للمدعي (prover) أن يثبت للمحقق (verifier) صحة حقيقة معينة، بينما يظل الأخير لا يعرف سوى أن الحقيقة صحيحة، ولا يطلع على أي تفاصيل أخرى. هذه الآلية تكسر الافتراض التقليدي في أن “معرفة كل التفاصيل ضروري للتحقق من صحة الأمر”.

في مجال علم التشفير، يُعرف هذا بثلاث خصائص أساسية للإثبات بدون معرفة:

• الاكتمال (Completeness): يضمن أن المدعي الصادق يمكنه إقناع المحقق الصادق.
• الاعتمادية (Soundness): يضمن أن المحتالين يكاد يكون من المستحيل أن ينجحوا في خداع المحقق.
• عدم الكشف (Zero-knowledge): يضمن أن عملية الإثبات لا تكشف عن أي معلومات مخفية أخرى.

هذه الخصائص الثلاث تشكل الأساس النظري للإثبات بدون معرفة.

الخصوصية، الهوية، والكفاءة—لماذا الإثبات بدون معرفة مهم جدًا

في عالم الإنترنت الحالي، تبرز أزمة الخصوصية في كل مكان. التطبيقات تجمع بشكل جنوني بيانات المستخدمين، وتخزن المعلومات الشخصية (PII) في قواعد بيانات مركزية، والتي تصبح هدفًا للهجمات الإلكترونية. عند حدوث تسرب للبيانات، تظهر مشاكل سرقة الهوية والاحتيال. يوفر الإثبات بدون معرفة حلاً—يمكن للمستخدم أن يثبت هويته أو صلاحياته دون أن يكشف عن هويته الحقيقية.

في مجال التوثيق، يفتح الإثبات بدون معرفة آفاقًا جديدة. يمكنك أن تثبت لموقع إلكتروني أنك تبلغ من العمر 18 عامًا دون أن تقدم بطاقة هويتك أو سنة ميلادك. يمكنك إثبات أنك عضو في خدمة معينة دون الكشف عن تفاصيل حسابك. هذا الاختيار في الكشف يعزز بشكل كبير خصوصية المستخدمين، ويحل في الوقت ذاته مشكلة التحقق من الهوية في المنصات.

بالنسبة لبيئة البلوكشين، أدت تقنية الإثبات بدون معرفة إلى ظهور العملات الخاصة. مشاريع مثل Zcash وMonero تستخدم تقنيات الإثبات بدون معرفة لإخفاء عناوين الأطراف، نوع الأصول، مبلغ المعاملة، والطابع الزمني، حتى لو كانت المعاملات علنية على الشبكة العامة، فلا أحد يمكنه تتبع تدفق الأموال. تطبيق Tornado Cash على إيثريوم يوسع هذه التقنية ليتيح للمستخدمين إجراء معاملات خاصة، مما يغير تمامًا مشهد الخصوصية في البلوكشين.

الأهم من ذلك، أن الإثبات بدون معرفة يُعالج الآن مشكلة قابلية التوسع في البلوكشين. في حلول الطبقة الثانية (Layer 2)، يتم تجميع عدة معاملات معًا، ويتم إصدار إثبات يثبت صحتها. لا يحتاج المدقق إلى إعادة تنفيذ جميع العمليات، بل يكتفي بالتحقق من صحة هذا الإثبات فقط. هذا يقلل بشكل كبير من عبء الشبكة، ويسرع معالجة المعاملات.

كما أن الحسابات القابلة للتحقق أصبحت مجالًا جديدًا للتطبيق. عندما يكون جهاز المستخدم غير قادر على إجراء حسابات معقدة أو تكلفتها مرتفعة، يمكن لخدمات طرف ثالث (مثل أوامر Chainlink) أن تقوم بالحسابات نيابة عنه، وتصدر إثباتًا يثبت صحة النتائج. هذا يسمح بنقل الحسابات المعقدة بشكل آمن دون خوف من التلاعب بالنتائج.

مساران للإثبات بدون معرفة: التفاعلي وغير التفاعلي

تنقسم طرق تنفيذ الإثبات بدون معرفة إلى فئتين رئيسيتين، تمثلان توازنات تقنية مختلفة.

النسخة التفاعلية تتميز بوضوح منطقها. يتطلب الأمر أن يتبادل الطرفان عدة جولات من الحوار، حيث يوجه المدقق تحديات متتالية، ويجيب المدعي عليها، حتى يقتنع الأخير بصحة الادعاء. يمكن فهم ذلك من خلال مثال كلاسيكي يُعرف بمشكلة العمى اللوني.

افترض أن أليس أعمى الألوان، وبيد بوب كرتان متطابقتان، أحدهما أزرق والآخر أحمر. يحتاج بوب لإثبات أن الكرتين مختلفتين في اللون. يضع بوب الكرتين خلف ظهره، ويقوم بتبادلهما بشكل عشوائي، ثم يسأل بوب أليس إذا قام بالتبادل. إذا كانت أليس ترى الألوان، فستجيب دائمًا بشكل صحيح. اختبار واحد يعطي دقة بنسبة 50%. لكن إذا أجابت بشكل صحيح عدة مرات متتالية، فإن احتمالية خداعها تتناقص إلى (1/2)^n مع كل اختبار إضافي. ومع تكرار الاختبارات، تقترب نسبة الثقة إلى 100%.

لكن الطرق التفاعلية لها قيود واضحة: كل عملية تحقق تتطلب وجود الطرفين معًا، ويجب أن يثبت كل طرف صحة الادعاء بشكل مستقل. هذا يعيق تطبيقاتها في الواقع.

النسخة غير التفاعلية ظهرت لتتجاوز هذه القيود، حيث يكتفي المدعي بإنتاج إثبات يمكن للمحقق التحقق منه بشكل مستقل، دون حاجة لتواصل مستمر. قام مانويل بلو، بول فليدمان وسيلفيو ميكالي بتطوير هذا المفهوم، من خلال إدخال مفتاح مشترك، مما يسمح بإثباتات لا تكشف عن المعلومات، ويمكن التحقق منها في أي وقت.

مثال على ذلك هو لغز السودوكو. أليس حلّت لغز سودوكو معقد، وتريد إثبات ذلك دون الكشف عن الحل. تضع اللغز والإجابة في جهاز غير قابل للتلاعب. بعد ذلك، يُنتج الجهاز 27 كيسًا: 9 منها تحتوي على أرقام كل صف، 9 على الأعمدة، و9 على المربعات 3×3، مع ترتيب عشوائي. يراجع بوب هذه الأكياس، ويضمن أن كل كيس يحتوي على الأرقام من 1 إلى 9 بدون تكرار، مما يثبت أن أليس حلت اللغز بشكل صحيح، دون أن يعرف الحل نفسه.

مقارنة بالنسخة التفاعلية، فإن الإثبات غير التفاعلي يمتاز بأنه يمكن توليد إثبات واحد يُستخدم للتحقق مرات لا حصر لها، دون تكرار التواصل، ويمكن لأي شخص يمتلك الإثبات والآلية التحقق منه. هذا يجعل تطبيقات الإثبات بدون معرفة عملية وواقعية.

zk-SNARK و zk-STARK: الاختيارات التقنية في الإثبات بدون معرفة

عندما تنتقل الإثباتات بدون معرفة من النظرية إلى التطبيق، طور الباحثون العديد من الحلول، وأشهرها zk-SNARK و zk-STARK.

zk-SNARK تعني “إثبات المعرفة بدون معرفة مختصر وغير تفاعلي”. تنتج إثباتات صغيرة جدًا، وتتحقق بسرعة عالية. تعتمد على التشفير باستخدام المنحنيات الإهليلجية، وتقوم على مشكلة اللوغاريتمات المنفصلة، وهو أساس رياضي آمن جدًا في ظل قدرات الحوسبة الحالية. نظرًا لأن عمليات المنحنى الإهليلجي أكثر كفاءة من عمليات التجزئة، فإن التحقق على إيثريوم أقل تكلفة. تستخدم مشاريع مثل Zcash وLoopring وzkSync وMina تقنية zk-SNARK في تطبيقات متنوعة، من العملات الخاصة إلى حلول التوسعة من الطبقة الثانية.

أما zk-STARK فهي تمثل مسارًا تقنيًا آخر. تعني “إثبات المعرفة بدون معرفة قابل للتوسع وشفاف”. تعتمد على دوال التجزئة بدلاً من المنحنيات، مما يمنحها مزايا فريدة: زمن إثبات أقصر، وقابلية توسع أكبر. لأنها تعتمد على دوال هاش بدلاً من المفاتيح العامة والخاصة، فهي مقاومة للتهديدات التي قد تفرضها الحوسبة الكمومية، وهو أحد أهم مميزاتها. أنشأ إيل بن ساسون شركة StarkWare، وطوّر مشاريع StarkEx وStarkNet، وتبنت مشاريع مثل Immutable X تقنية STARK في حلول الطبقة الثانية.

الاختيارات بين الحلين تتضح في التوازن:

• إثباتات zk-SNARK أصغر، وأسرع في التحقق، وأقل تكلفة حاليًا، لكنها تواجه تهديدات من الحوسبة الكمومية.
• إثباتات zk-STARK أكبر، وأبطأ في التحقق، وتكلفتها أعلى، لكنها أكثر أمانًا على المدى الطويل.

هناك أيضًا حلول مختلطة مثل PLONK و Bulletproofs، التي توفر توازنًا بين الأداء والتكلفة.

في التطبيقات العملية، يُعد التوسعة عبر الطبقة الثانية هو المجال الأبرز لاستخدام الإثباتات بدون معرفة. تقوم تقنية zk-rollup بتجميع مئات المعاملات على شكل إثبات واحد، يُسمى “إثبات الصحة”، يُعرض على الشبكة، ويكتفي المدقق بالتحقق من صحة الإثبات، دون إعادة حساب المعاملات. هذا يقلل بشكل كبير من تكلفة التحقق على السلسلة، وهو من أنجح تطبيقات الإثبات بدون معرفة من النظرية إلى السوق.

التحديات الحالية وتوجهات التطور في الإثبات بدون معرفة

رغم آفاقه الواعدة، لا تزال هناك تحديات تواجه تطبيقات الإثبات بدون معرفة على أرض الواقع.

أولها هو تكلفة الحساب. يتطلب توليد الإثباتات بدون معرفة عمليات حسابية ضخمة، مثل ضرب المصفوفات (MSM) وتحويل فورييه السريع (FFT). هذه العمليات تستهلك وقتًا كبيرًا، حيث يقضي حوالي 70% من الوقت في MSM و30% في FFT. حاليًا، يُستخدم تسريع الأجهزة، خاصة FPGA (الدوائر القابلة للبرمجة ميدانيًا)، التي تكلف ثلث تكلفة أعلى وحدات معالجة الرسوميات، وتوفر كفاءة طاقة تفوق العشرة أضعاف. هذا يعني أن انتشار تقنية ZK يتطلب استثمارًا في البنية التحتية للأجهزة.

ثانيًا، تكلفة التحقق على الشبكة. على إيثريوم، يتطلب التحقق من إثبات zk-SNARK حوالي 500,000 غاز، و zk-STARK أعلى من ذلك. رغم أن هذا أقل بكثير من إعادة الحساب، إلا أنه لا يزال يضغط على شبكة الغاز.

ثالثًا، فرضية الثقة. يتطلب zk-SNARK إعداد معلمات عامة أولية، ويجب أن يكون المشاركون أمناء، وإلا فإن البيانات المزورة قد تمر دون اكتشاف. يعمل الباحثون على تطوير إعدادات غير موثوقة، لكن المشكلة لا تزال قائمة. أما zk-STARK فهي تتجنب هذا القيد تمامًا، لأنها لا تتطلب فرضية الثقة.

رابعًا، التهديدات طويلة المدى من الحوسبة الكمومية. تعتمد zk-SNARK على توقيعات ECDSA، التي قد تُكسر بسهولة بواسطة الحواسيب الكمومية عند ظهورها. zk-STARK تعتمد على دوال هاش مقاومة للكم، مما يجعلها أكثر أمانًا على المدى الطويل.

على الرغم من هذه التحديات، فإن مسار التطور واضح. يتم تحسين كفاءة توليد والتحقق من الإثباتات، وتظهر أجهزة تسريع جديدة باستمرار. على مستوى التطبيق، تتوسع استخدامات الإثبات بدون معرفة من العملات الخاصة والتوسعة إلى التحقق من الهوية، والحسابات القابلة للتحقق، والتصويت المجهول، وغيرها. في سياق Web3، تساعد هذه التقنية المطورين على الجمع بين أمان ولامركزية البلوكشين، مع تقديم أداء يقارب Web2، وحماية كاملة لخصوصية المستخدمين. مستقبل هذه التقنية يستحق متابعة مستمرة.