zk-SNARKs: ما مدى التحول الذي يمكن أن تحققه؟

كتبه: 0xKira

تجميع: كتلة وحيد القرن

في سياق تطور علم التشفير و blockchain، لا توجد ابتكار أثار اهتمامًا كبيرًا مثل إثباتات المعرفة الصفرية (ZK). كانت إثباتات المعرفة الصفرية في السابق مفهومًا أكاديميًا غامضًا في أوراق نظرية علوم الكمبيوتر، لكنها انتقلت سريعًا من النظرية إلى الشبكة الرئيسية، وأصبحت حجر الزاوية للبنية التحتية التشفيرية من الجيل المقبل.

تتمثل جوهر إثبات المعرفة الصفرية في تحدي افتراض قديم في الأنظمة الرقمية: أن التحقق يتطلب كشف المعلومات. سواء كان ذلك لتسجيل الدخول إلى تطبيق، أو التحقق من الهوية، أو تأكيد المعاملات، كان علينا دائمًا الكشف عن بعض المعلومات لكسب الثقة. تكسر تقنية إثبات المعرفة الصفرية هذه الموازنة، مما يتيح لنا إثبات الحقائق المتعلقة بالهوية أو البيانات أو الحسابات دون الكشف عن المعلومات الأساسية.

بالإضافة إلى حماية الخصوصية، فإن إثبات المعرفة الصفرية يمكن أن يحقق قابلية التوسع والتشغيل البيني والتحقق غير القائم على الثقة على مستوى العالم. من ZK rollup الذي يزيد من قدرة معالجة blockchain، إلى أنظمة الهوية والامتثال التي تحمي الخصوصية، فإن إثبات المعرفة الصفرية يعيد تعريف الإمكانيات في مجال التشفير.

ملخص

تستطيع إثباتات المعرفة الصفرية (ZK) التحقق من الهوية أو الرصيد أو صلاحية المعاملات وغيرها من المعلومات دون الكشف عن البيانات الأساسية.

على الرغم من أن تقنية الإثباتات ذات المعرفة الصفرية تم اقتراحها لأول مرة في الثمانينيات من القرن العشرين، إلا أنها لم تصبح عملية إلا مؤخرًا بفضل التقدم في الحوسبة والتشفير وتقنية البلوك تشين.

تدعم إثبات ZK المعاملات الخاصة، والهوية اللامركزية، وتصويت DAO، والتشغيل البيني عبر السلاسل، بينما تتيح تجميع الآلاف من المعاملات في إثبات واحد من خلال تجميع ZK، مما يوسع نطاق إيثريوم.

على الرغم من حجم الحساب الكبير، إلا أن خوارزمية ZK rollup تتمتع بالنهائية الفورية، وانخفاض التكاليف، وأمان أقوى، مما يجعلها تتفوق على حلول الفئة التفاؤلية.

ما هو إثبات المعرفة الصفرية؟

إثبات عدم المعرفة (ZK) هو أسلوب تشفير يمكّن طرفًا (المُثبت) من إثبات صحة بيان ما لطرف آخر (المدقق) دون الحاجة إلى الكشف عن سبب صحة هذا البيان أو أي معلومات إضافية.

على سبيل المثال، ترغب أليس في إثبات لبوب أنها تعرف كلمة المرور الخاصة بباب مخفي في الكهف، لكنها لا تستطيع إخبار بوب مباشرةً بكلمة المرور. تدخل أليس الكهف، وتفتح الباب، ثم تظهر من الجانب الآخر. لا يستطيع بوب رؤية كيف فعلت ذلك، لكنه يعرف بالتأكيد أنها تعرف كلمة المرور.

المجاز الكلاسيكي لإثبات عدم المعرفة - Chainlink

تقليديًا، تتطلب التحقق من الهوية الكشف عن بعض المعلومات: مثل معلومات الهوية، كلمة المرور أو البيانات. أثبتت إثباتات المعرفة الصفرية أنها تعكس هذا النموذج، حيث يمكن إثبات الهوية أو الأصالة أو الملكية دون الحاجة إلى الكشف عن البيانات نفسها.

في النظام الرقمي، هذا يعني أنه يمكنك:

يمكن إثبات أنك قد بلغت 18 عامًا دون الحاجة إلى الكشف عن تاريخ الميلاد.

إثبات وجود الأموال الكافية دون الكشف عن رصيد المحفظة

إثبات صحة المعاملة دون الكشف عن محتوى المعاملة

تُعد هذه القدرة على “إثبات دون الكشف عن المعلومات” أساسًا لنظام يحافظ على الخصوصية والأمان والشفافية، حيث يمكن لإثبات المعرفة الصفرية أن يحقق هذين المميزتين في آن واحد.

كيف تعمل؟

تستند إثباتات المعرفة الصفرية إلى هياكل رياضية معقدة وأساسيات تشفير، ولكن من الناحية المفاهيمية، يمكن تلخيصها في ثلاث خصائص أساسية:

الاكتمال (Completeness): إذا كانت هذه العبارة صحيحة، فإن المُثبت الصادق قادر على إقناع المُحقق بأنها صحيحة.

الاعتمادية (Soundness): إذا كانت العبارة خاطئة، فلا يمكن لأي مُثبت مُحتال إقناع المُحقق بأن هذه العبارة خاطئة.

التحقق من عدم المعرفة (Zero-Knowledge): لن يعرف المراجع أي معلومات أخرى بخلاف معرفته بأن البيان صحيح.

في الواقع، هناك عدة أنواع من إثباتات المعرفة الصفرية، لكن التركيز الحالي للنقاش يدور حول نوعين رئيسيين: إثبات المعرفة الصفرية التفاعلي وغير التفاعلي.

في التصميمات المبكرة، كانت إثباتات المعرفة الصفرية تفاعلية. كان المبرهن والمحقق يجريان حوارًا ثنائي الاتجاه، حيث يطرح المحقق تحديات عشوائية، ويقدم المبرهن إثباتًا كاستجابة، مما يبني معًا الثقة في صحة بيان معين. على الرغم من أن هذا النموذج فعال من الناحية النظرية، إلا أنه في بيئة blockchain، غالبًا ما تواجه الأطراف صعوبة في التفاعل في الوقت الفعلي، مما يؤدي إلى عدم الكفاءة.

من أجل جعله أكثر عملية، طور علماء الرياضيات إثباتات عدم المعرفة غير التفاعلية (NIZK)، حيث يتطلب هذا النوع من الإثبات أن يرسل المُثبِت رسالة واحدة فقط إلى المُحقق لإكمال العملية. من بين هذه الإثباتات، تُعتبر zk-SNARKs الأكثر شهرة، حيث يمكنها توليد إثباتات مضغوطة للغاية وإكمال التحقق في غضون مللي ثانية. وهناك نوع آخر هو zk-STARKs، الذي لا يتطلب إعداد موثوق، ويقدم مستوى أمان بعد الكوانتوم.

كيفية عمل zk-SNARKs - شبكة منتصف الليل

في جوهرها، تسمح هذه الأنظمة للمدعين بإنشاء “بصمة” رياضية للتحقق من العمليات الحسابية الصحيحة. يمكن للمحققين بعد ذلك فحص هذه البصمة دون الحاجة إلى إعادة إجراء العملية الحسابية بالكامل. وهذا هو بالضبط سبب كونها قوية جدًا في توسيع نطاق blockchain: من خلال فحص دليل تشفير واحد، يمكن التحقق بسرعة وبتكلفة منخفضة من الآلاف من المعاملات.

متى تم اختراع إثبات عدم المعرفة؟

يمكن إرجاع إثباتات عدم المعرفة إلى منتصف الثمانينيات من القرن العشرين، عندما قدم الباحثون شافي غولدواسر، سيلفيو ميكالي و تشارلز راكوف هذا المفهوم في ورقتهم الرائدة “تعقيد المعرفة لأنظمة الإثبات التفاعلي” (1985).

أرست نماذجهم النظرية المبكرة الأساس للاختراعات في علم التشفير على مدى العقود التالية، لكن لم تصبح إثباتات المعرفة الصفرية عملية إلا في العقد 2010 بسبب تحسين كفاءة الحوسبة وظهور تقنية البلوكشين.

تم إطلاق مشاريع مثل Zcash في عام 2016، وهي واحدة من أوائل المشاريع التي قامت بنشر إثباتات المعرفة الصفرية على نطاق واسع، حيث تستخدم zk-SNARKs لتحقيق معاملات خاصة على دفتر الأستاذ العام. منذ ذلك الحين، حققت تقنية إثبات المعرفة الصفرية تقدمًا ملحوظًا، حيث أصبحت أكثر كفاءة، وزادت سرعة توليد الإثباتات، وظهرت أطر جديدة (مثل zk-STARKs وHalo وPLONK)، مما جعلها أسهل للاستخدام من قبل المطورين، وأكثر ملاءمة لتوسيع الأنظمة العملية.

ما هي تطبيقات إثبات المعرفة الصفرية في مجال التشفير؟

أكثر التطبيقات وضوحًا وشيوعًا هو التداول لحماية الخصوصية. يسمح إثبات المعرفة الصفرية للمستخدمين بإجراء المعاملات على سلسلة الكتل العامة دون الكشف عن معلومات حساسة مثل مبلغ المعاملة أو الطرف الآخر في المعاملة. كانت Zcash رائدة في هذه التقنية، حيث قدمت آلية “المعاملات المحمية” (shielded transactions) التي تحمي خصوصية المستخدمين بينما تحافظ أيضًا على سلامة البيانات القابلة للتحقق على السلسلة. على هذا الأساس، قامت مشاريع مثل Tornado Cash وAztec وRailgun بتوسيع تقنية إثبات المعرفة الصفرية إلى Ethereum، مما أتاح تفاعلات عقود ذكية سرية ومعاملات DeFi سرية.

كيف يعمل Tornado Cash - Elliptic

بخلاف حماية الخصوصية، تعمل إثباتات المعرفة الصفرية على إحداث ثورة في مجالات الهوية الرقمية والامتثال التنظيمي. إنها تدعم الإفصاح الانتقائي، مما يمكّن المستخدمين من إثبات حقائق معينة دون الكشف عن البيانات الشخصية. على سبيل المثال، يمكن للمستخدمين إثبات أنهم قد اجتازوا التحقق من KYC دون الكشف عن أسمائهم، أو التأكيد على أنهم ليسوا في قائمة العقوبات دون تقديم معلومات الهوية. هذه المبادئ هي أساس أنظمة الهوية الصفرية الناشئة مثل إثبات الشخصية لـ Worldcoin، و Polygon ID، و zkPass.

Polygon ID: نظام هوية يدعم إثباتات المعرفة الصفرية - Polygon

تتمتع برهانات المعرفة الصفرية بقيمة تطبيقية قوية في مجالات التصويت والحوكمة. في المنظمات المستقلة اللامركزية (DAO)، يمكن أن تعزز هذه البرهانات عمليات التصويت التي تكون مجهولة ولكن يمكن التحقق منها، مما يضمن شفافية النتائج مع حماية خصوصية هوية الناخبين الفرديين. وهذا يساعد على تقليل خطر الإكراه أو الانتقام، ويشجع على المشاركة بشكل أكثر صدقاً في اتخاذ القرارات الجماعية، مما يعزز المبادئ الديمقراطية للحكم اللامركزي.

تظهر ميزة أخرى لإثبات المعرفة الصفرية في مجال التحقق عبر السلاسل. في بيئة متعددة السلاسل، كان من المعتاد أن يتطلب بناء الثقة بين سلاسل الكتل المختلفة وسطاء أو آليات جسر معقدة. يقدم إثبات المعرفة الصفرية حلاً أكثر أناقة: يمكن أن يثبت الإثبات الذي تم إنشاؤه على سلسلة واحدة صحة حالتها، بينما يمكن للسلسلة الأخرى التحقق من هذا الإثبات بشكل مستقل. وهذا يحقق التشغيل المتداخل بدون ثقة، مما يمكّن سلاسل الكتل المختلفة من التواصل بشكل آمن دون الاعتماد على موثقي مركزين.

تعمل تقنية ZK أيضًا على تحسين قابلية التوسع في الإيثيريوم من خلال ZK Rollup. من خلال تجميع الآلاف من المعاملات في دليل تشفير واحد، تقلل هذه الـ Rollup بشكل كبير من عبء البيانات على السلسلة أثناء ضمان الأمان. والنتيجة هي سرعة معالجة معاملات أعلى، وتكاليف أقل، وكفاءة أعلى، مما يضع الأساس للإيثيريوم للتعامل مع التطبيقات واسعة النطاق دون الإضرار بخصائصه اللامركزية.

تفسير ZK Rollup

في جميع التطبيقات المعتمدة على إثبات المعرفة الصفرية، تعتبر ZK rollup بلا شك الأكثر تحويلًا. إنها تعالج واحدة من أكبر التحديات في مجال العملات المشفرة: قابلية توسيع blockchain.

منذ نشأة تقنية blockchain، تواجه جميع سلاسل الكتل ثلاث صعوبات في blockchain: أي أنه يمكن لكل سلسلة كتل تحقيق اثنين فقط من الخصائص الأساسية الثلاث: الأمان، وقابلية التوسع، واللامركزية. على الرغم من أن سلسلة الكتل مثل Ethereum آمنة ولامركزية، إلا أن سرعتها لا تزال بطيئة، وتكاليفها مرتفعة. يجب أن تمر كل معاملة بمصادقة جميع العقد، مما يسبب اختناقات، ويحد من القدرة على المعالجة، ويرفع من رسوم الغاز، مما يقلل بشكل كبير من قابلية استخدام blockchain.

Rollup هو حل من الطبقة الثانية (Layer-2) ينفذ المعاملات خارج السلسلة، ثم ينشر معلومات التجميع مرة أخرى إلى السلسلة الرئيسية أو الطبقة الأولى (عادةً إيثريوم). تنقسم Rollup بشكل أساسي إلى نوعين: Optimistic rollup و ZK rollup.

في ZK Rollup، يتم تجميع مئات وآلاف المعاملات خارج السلسلة معًا. يقوم المُثبِت بإنشاء إثبات عدم المعرفة (المعروف أيضًا بإثبات الصلاحية) يشير إلى أن جميع المعاملات المجمعة تتوافق مع قواعد سلسلة الكتل. ثم يتم تقديم هذا الإثبات الفردي إلى السلسلة الرئيسية، ويمكن للسلسلة الرئيسية التحقق منه بسرعة وبشكل قاطع.

كيف تعمل ZK Rollup - ميساري

هذا التصميم يقلل بشكل كبير من حجم البيانات والحمل الحسابي لـ Layer-1، بينما يحافظ على نفس ضمانات الأمان كما في معالجة كل معاملة بشكل منفصل، وبالتالي يزيل اختناقات السرعة والقدرة في Layer-1.

تشمل بعض المشاريع الممثلة لـ ZK rollup:

zkSync Era: تم تطويره بواسطة Matter Labs ويستخدم zk-SNARKs لتحقيق السرعة النهائية.

StarkNet: مبني على zk-STARKs، يركز على القابلية للتوسع والشفافية

بوليغون zkEVM: تنفيذ المعرفة الصفرية لآلة Ethereum الافتراضية (EVM)، مما يتيح لها التوافق الكامل مع العقود الذكية الموجودة على Ethereum.

Lighter: منصة DEX دائمة مبنية على ZK rollup مخصص، تستخدم zk-SNARKs، وتحديداً Plonky2.

مزايا ZK Rollup

من خلال ضغط الآلاف من المعاملات في إثبات تشفير واحد، يمكن لـ ZK rollups زيادة السعة بشكل كبير، مما يسمح لبلوكشين مثل إيثيريوم بمعالجة المزيد من الأنشطة دون التضحية باللامركزية أو الأمان.

الأمان هو ميزة رئيسية أخرى. على عكس Optimistic rollup الذي يعتمد على الحوافز الاقتصادية وفترة تحدي مدتها أسبوع للكشف عن الاحتيال، يستخدم ZK rollup إثباتات الصلاحية الرياضية لضمان الصحة مسبقًا. بمجرد التحقق من الإثبات على السلسلة، تكون المعاملات الأساسية نهائية وغير قابلة للتغيير، مما يقضي على التأخيرات وعدم اليقين.

هذا يعني أيضًا سرعة تأكيد أسرع. سيتم تسوية المعاملات في ZK rollup على الفور بعد التحقق من إثباتها، مقارنةً بفترة الانتظار الشائعة في الأنظمة التفاؤلية، حيث يمكن للمستخدمين الحصول على النتائج النهائية على الفور تقريبًا.

تعتبر فعالية التكلفة ميزة رئيسية أخرى. نظرًا لأن ZK Rollups تقدم كمية ضئيلة فقط من البيانات إلى سلسلة الكتل Layer-1، فإن رسوم الغاز تنخفض بشكل ملحوظ، مما يجعل تكلفة تشغيل المستخدمين والتطبيقات على إيثيريوم أقل.

الأكثر إثارة هو أن ZK rollup قد فتح الأبواب لتعزيز حماية الخصوصية. نظرًا لأنه مبني على علم التشفير ذو المعرفة الصفرية، يمكن نظريًا تضمين السرية مباشرة في rollup نفسه، مما يتيح إجراء معاملات خاصة وقابلة للتحقق على نطاق واسع.

القيود الرئيسية الحالية تتعلق بمتطلبات الحساب. لا يزال إنشاء الإثباتات ذات المعرفة الصفرية يتطلب استهلاك موارد كبيرة، مما يستدعي وجود أجهزة قوية وتقنيات تشفير متقدمة. ومع ذلك، فإن التقدم المستمر، وخاصة في تسريع الأجهزة، وتصميم الدوائر، وتطور الإثباتات المتكررة، يعمل على تخفيض هذه التكاليف بشكل مطرد، مما يجعل كفاءة كل جيل من ZK rollup أعلى.

مقارنة مع Optimistic Rollup

تتبع تقنيات “التحسين المتفائل”، مثل Arbitrum و Optimism، فلسفات مختلفة. إنها تفترض أن جميع المعاملات خارج السلسلة صالحة بشكل افتراضي. فقط عندما يشكك شخص ما في هذا الافتراض، يطلب النظام تقديم “دليل الاحتيال” للتحقق من النزاع، وعادة ما تستغرق هذه العملية حوالي أسبوع. يعمل هذا النموذج بشكل جيد في الممارسة العملية، لكنه يتسبب في تأخير في تأكيد المعاملات النهائية، ويعتمد على آليات التحفيز لتحفيز المشاركين على اكتشاف والإبلاغ عن الأنشطة غير الصالحة.

تقوم ZK rollup بإرفاق إثبات صحة قائمة المعاملات بإثبات المعرفة الصفرية لكل دفعة من المعاملات، مما يؤكد صحتها رياضياً قبل كتابتها على السلسلة الرئيسية، وبالتالي توفر نهائية فورية وضمانات أمان أقوى، لكنها في نفس الوقت تأتي مع تعقيد تقني أعلى وحجم حسابات أكبر.

في الأساس، تمثل هذان النموذجان توازنات مختلفة. من الأسهل تنفيذ Optimistic Rollup، وبفضل بساطته وتوافقه الكامل مع آلة الإيثيريوم الافتراضية (EVM)، فإنه يحتل حالياً الصدارة في مجال Layer-2 على الإيثيريوم. أما ZK rollup فهو أكثر تعقيداً، ويتطلب حسابات أكبر، لكنه يوفر سرعة تسوية أسرع، وتكاليف أقل، وإمكانات مدمجة للخصوصية.

الخاتمة

تمثل إثباتات المعرفة الصفرية تحولًا في الطريقة التي نثق بها ونحتفظ بها ونعتمد على الأنظمة الرقمية. هذه النظرية المجردة في علم التشفير التي نشأت في الثمانينيات من القرن الماضي أصبحت الآن واحدة من أكثر التقنيات الواعدة لدفع تطوير بنية تحتية لا مركزية من الجيل التالي.

في مجال العملات المشفرة، توفر الإثباتات الصفرية الدعم للتداولات الخاصة، والهوية اللامركزية، والتشغيل المتداخل عبر السلاسل، وأهم من ذلك هي هياكل الـ rollup القابلة للتوسع، التي يمكن أن تعزز من قدرة المعالجة بشكل كبير مع الحفاظ على مستوى أمان الإيثيريوم. كما أن نطاق تطبيقاتها يتجاوز البلوكشين، ليشمل مجالات مثل المالية، والذكاء الاصطناعي، والتحقق من البيانات.

على الرغم من أن تطبيقات إثبات المعرفة الصفرية لا تزال في مرحلة مبكرة نسبياً، إلا أن مسار تطورها أصبح واضحاً. إن إثبات المعرفة الصفرية يتحول من تقنية جديدة في مجال التشفير إلى جزء لا يتجزأ من بناء البنية التحتية. إذا كانت تقنية البلوك تشين ترغب في التوسع إلى مليارات المستخدمين مع ضمان الخصوصية واللامركزية، فمن المحتمل أن يكون إثبات المعرفة الصفرية هو المفتاح لفتح هذه المستقبل.