Zero-knowledge dokazi, odnosno dokazi bez otkrivanja znanja, nastali su sredinom 1980-ih u akademskim radovima Shafija Goldwassera, Silvija Micalija i Charlesa Rackoffa. Cilj je bio riješiti naizgled proturječan problem: kako dokazati da je tvrdnja istinita bez otkrivanja tajnih podataka na kojima se tvrdnja temelji.
Praktična primjena postala je moguća razvojem učinkovitijih sustava poput zk-SNARK dokaza. Zcash je 2016. prvi široko korišteni blockchain koji ih je primijenio na privatna plaćanja. Aztec ih koristi za privatno izvršavanje aplikacija povezanih s Ethereumom, dok je Aleo izgradio zaseban programski blockchain u kojem se izvršavanje može dokazivati bez javnog otkrivanja ulaznih podataka.
Važno je razlikovati privatnost od potpune anonimnosti. Zero-knowledge dokaz može sakriti iznos, adresu ili stanje aplikacije, ali mrežni promet, vrijeme transakcije, ulazak sredstava iz javnog lanca i ponašanje korisnika i dalje mogu otkriti metapodatke.
Što zero-knowledge dokaz zapravo potvrđuje
U zero-knowledge protokolu dokazivač posjeduje tajni podatak, koji se naziva svjedok, te želi dokazati određenu javnu tvrdnju. Primjerice, korisnik može dokazati da raspolaže valjanim novčićem i da ga nije prethodno potrošio, bez otkrivanja njegove adrese, iznosa ili povijesti vlasništva.
Sustav mora zadovoljiti tri svojstva. Potpunost znači da će ispravan dokaz biti prihvaćen. Pouzdanost znači da napadač bez valjanog svjedoka ne može uvjerljivo dokazati lažnu tvrdnju. Zero-knowledge svojstvo osigurava da provjeravatelj iz dokaza ne sazna ništa osim činjenice da je tvrdnja valjana.
Kako zk-SNARK sustav radi ispod površine
Program ili pravilo transakcije najprije se prevodi u aritmetički sklop, odnosno skup ograničenja nad konačnim poljem. Tvrdnja poput „zbroj ulaza jednak je zbroju izlaza” postaje niz matematičkih jednadžbi. Dokazivač unosi privatne vrijednosti i generira dokaz da sva ograničenja vrijede, bez objavljivanja tih vrijednosti.
Kod privatnog plaćanja vlasništvo se obično predstavlja kriptografskom obvezom. Kada se zapis potroši, objavljuje se nullifier, jedinstvena vrijednost koja sprječava dvostruku potrošnju, ali ne otkriva izravno koji je privatni zapis iskorišten. Merkleov korijen omogućuje dokazivanje da zapis pripada važećem skupu stanja.
SNARK dokazi mali su i brzo se provjeravaju, ali njihovo generiranje može zahtijevati znatnu procesorsku snagu i memoriju. Neki sustavi trebaju pouzdanu početnu ceremoniju, dok modernije konstrukcije koriste univerzalne postavke ili rekurzivne dokaze. Rekurzija omogućuje da jedan dokaz potvrdi druge dokaze, čime se velik broj izvršavanja može sažeti u kompaktan rezultat.
Zcash i privatna digitalna plaćanja
Zcash koristi token ZEC i podržava transparentne te zaštićene transakcije. U zaštićenom skupu mogu se sakriti pošiljatelj, primatelj i iznos, dok mreža ipak provjerava očuvanje vrijednosti i sprječava dvostruku potrošnju. To je bitna razlika u odnosu na običnu pseudonimnost, gdje su adrese javne i mogu se povezivati analizom lanca.
Rani Zcash oslanjao se na ceremonije pouzdane postavke. Nadogradnja Sapling smanjila je troškove stvaranja dokaza i poboljšala podršku za mobilne novčanike. Noviji Orchard zaštićeni skup koristi sustav Halo 2, čime je za tu komponentu uklonjena potreba za specifičnom pouzdanom ceremonijom i omogućena naprednija rekurzivna struktura dokaza.
Slabost Zcasha nije samo kriptografska nego i operativna. Ako mali broj korisnika koristi zaštićeni skup ili često prelazi između transparentnih i privatnih adresa, analiza iznosa i vremena može suziti skup mogućih pošiljatelja. Privatnost zato ovisi i o veličini skupa anonimnosti te pravilnom ponašanju korisnika.
Aztec kao privatni izvršni sloj
Aztec razvija privatno programabilno okruženje povezano s Ethereumom. Za razliku od klasičnog javnog pametnog ugovora, u kojem svaki čvor vidi ulaze i stanje, Aztec dijeli aplikaciju na javnu i privatnu logiku. Privatni dio izvršava se lokalno, a mreži se šalje dokaz ispravnog izvršavanja.
Arhitektura koristi privatne bilješke, obveze i nullifiere. Korisnički PXE, odnosno privatno izvršno okruženje, upravlja lokalnim podacima i generiranjem dokaza. Sekvenceri uređuju transakcije, dok dokazni sustav potvrđuje prijelaze stanja prije njihova konačnog poravnanja. Takav pristup Aztec svrstava u specijalizirani Layer 2 dizajn usmjeren na programabilnu privatnost.
Pametni ugovori pišu se u jeziku Noir, oblikovanom za izražavanje dokazivih programa. Primjeri primjene uključuju privatno glasanje, skrivene ponude, provjeru identitetskih atributa i financijske pozicije čiji se puni sadržaj ne objavljuje. Ograničenje je složeniji razvojni model: programer mora precizno odlučiti koji su podaci javni, gdje se čuvaju privatne bilješke i kako se sinkroniziraju.
Aleo i token ALEO
Aleo je samostalni Layer 1 blockchain usmjeren na privatne aplikacije. Programi se pišu u jeziku Leo i izvršavaju kroz snarkVM. Umjesto da svi validatori ponovno izvršavaju svaku privatnu operaciju, korisnik ili specijalizirani prover izvršava program i proizvodi kriptografski dokaz koji mreža provjerava.
Aleo razlikuje javno stanje od privatnih zapisa. Privatni record može predstavljati saldo, vlasničko pravo ili aplikacijski podatak, a njegov sadržaj šifriran je za vlasnika. Potrošnja zapisa proizvodi serijski broj koji sprječava ponovno korištenje. Token ALEO služi za mrežne naknade, poticaje i ekonomsko funkcioniranje protokola.
AleoBFT koordinira validatore i konačnost blokova, dok proveri sudjeluju u zasebnom tržištu računanja rješavanjem dokaznih zadataka. Time se odvajaju konsenzus i proizvodnja dokaza, ali nastaje dodatna ekonomska složenost: profitabilnost provera ovisi o hardveru, konkurenciji, naknadama i parametrima mreže.
Rizici i praktična ograničenja
Prvi rizik je pogreška u kriptografskom sklopu ili implementaciji. Dokaz može matematički potvrđivati upravo ono što je programirano, ali pogrešno definirano ograničenje može dopustiti stvaranje nevažeće vrijednosti. Takve je propuste teško otkriti jer privatni podaci nisu javno dostupni za klasičnu analizu lanca.
Drugi problem čine troškovi i korisničko iskustvo. Generiranje dokaza može trajati dulje od običnog potpisa, posebno na mobilnim uređajima. Korisnici također moraju čuvati ključeve za pregled privatnih zapisa. Gubitak takvog ključa može onemogućiti rekonstrukciju stanja čak i kada je vlasnički ključ još dostupan.
Treći rizik obuhvaća regulativu i likvidnost. Privatni tokeni mogu imati ograničenu podršku na centraliziranim platformama, a mostovi prema drugim mrežama uvode rizik pametnih ugovora i korelaciju metapodataka. Privatnost protokola zato ne uklanja rizik skrbnika, ulaznih i izlaznih točaka niti mrežnog nadzora.
Zaključak
Zero-knowledge dokazi omogućuju provjeru transakcija i programa bez objavljivanja njihovih osjetljivih ulaza. Zcash ih primjenjuje prvenstveno na privatna plaćanja, Aztec na privatne aplikacije povezane s Ethereumom, a Aleo na zaseban programski blockchain. Prednosti su povjerljivost i provjerljivost, dok su glavni nedostaci računalni troškovi, složen razvoj, metapodaci i regulatorna ograničenja. Tehnologija je posebno relevantna za korisnike, programere i institucije kojima javna provjerljivost treba koegzistirati s kontroliranim otkrivanjem podataka.
