розвиток та застосування повністю гомоморфного шифрування

Концепція повністю гомоморфного шифрування (FHE) вперше була представлена в 1970-х роках, але протягом тривалого часу її реалізація була важкою. Його основна ідея полягає в можливості виконання обчислень над зашифрованими даними без їх розшифрування. Спочатку були можливі лише прості операції додавання або множення, що називалося частковим гомоморфним шифруванням. У 2009 році проривне дослідження Крейга Джентрі продемонструвало можливість виконання довільних обчислень над зашифрованими даними, що сприяло розвитку FHE.

FHE є передовою технологією шифрування, яка дозволяє виконувати обчислення над даними в зашифрованому стані. Це означає, що можна безпосередньо виконувати операції над шифротекстом і генерувати зашифровані результати, а розшифрований результат буде відповідати результату, отриманому при виконанні тих самих операцій над оригінальними даними.

Повністю гомоморфне шифрування основні характеристики

1. Гомоморфність:

   • Додавання: додавання шифротексту еквівалентне додаванню відкритого тексту.
   • Множення: множення шифрованих даних еквівалентне множенню відкритих даних.

2. Управління шумом: Під час процесу шифрування FHE додається шум для забезпечення безпеки, але після кожної операції шум збільшується. Ефективне управління та мінімізація шуму є вкрай важливими для забезпечення точності обчислень.

3. Безкінечні операції: на відміну від часткового гомоморфного шифрування (PHE) та певного гомоморфного шифрування (SHE), FHE підтримує безкінечну кількість операцій додавання та множення, що дозволяє виконувати будь-які типи обчислень над зашифрованими даними.

Однак, FHE стикається з двома основними викликами:

1. Контроль шуму: Додатковий шум під час роботи може призвести до обчислювальних відхилень, тому необхідно здійснювати точний контроль.
2. Обчислювальні витрати: обчислення з шифротекстом значно дорожчі, ніж з відкритим текстом, і можуть досягати від 10,000 до 1,000,000 разів.

Застосування повністю гомоморфного шифрування в блокчейні

FHE має стати ключовою технологією для вирішення проблем масштабованості та захисту приватності в блокчейні. Сучасні блокчейн-системи загалом є прозорими, транзакції та змінні смарт-контрактів є загальнодоступними. FHE може перетворити повністю прозорий блокчейн на частково зашифрований формат, водночас зберігаючи контроль смарт-контрактів.

Деякі проекти розробляють віртуальну машину FHE, що дозволяє програмістам писати код смарт-контрактів для виконання операцій з FHE-операторами. Цей підхід може вирішити поточні проблеми конфіденційності в блокчейні, дозволяючи реалізацію таких застосувань, як шифровані платежі, ігри тощо, при цьому зберігаючи графік транзакцій і підвищуючи дружелюбність до регуляторів.

FHE також може покращити користувацький досвід приватних проєктів через пошук приватних повідомлень (OMR), дозволяючи клієнтам гаманців синхронізувати дані без розкриття доступу до вмісту.

Однак, FHE сам по собі не може безпосередньо вирішити проблему масштабованості блокчейну. Поєднання FHE з доказами нульового знання (ZKP) може дати ідеї для вирішення частини викликів масштабованості.

Взаємозв'язок повністю гомоморфного шифрування та нульових знань

FHE та ZKP є взаємодоповнюючими технологіями, які служать різним цілям. ZKP реалізує верифіковані обчислення та атрибути нульового знання, забезпечуючи захист конфіденційності приватних станів. Але ZKP не може захистити конфіденційність спільних станів, що є критично важливим для платформ смарт-контрактів без дозволів. FHE та багатопартійні обчислення (MPC) можуть виконувати обчислення над зашифрованими даними без їх розкриття.

Стан і перспективи розвитку повністю гомоморфного шифрування

Розвиток повністю гомоморфного шифрування відстає від ZKP на три-чотири роки, але стрімко наздоганяє. Перші проекти FHE вже почали тестування, і очікується, що основна мережа буде запущена пізніше цього року. Незважаючи на те, що обчислювальні витрати FHE все ще вищі за ZKP, його потенціал для масового застосування величезний. Як тільки FHE потрапить у виробниче середовище та досягне масштабування, очікується, що його темпи розвитку будуть порівнянні з ZK Rollups.

Виклики та перепони

Широке застосування повністю гомоморфного шифрування стикається з проблемами ефективності обчислень і управління ключами. Обчислення операцій самозавантаження в FHE є ресурсоємними, але вдосконалення алгоритмів і інженерні оптимізації покращують цю проблему. Для певних застосувань, таких як машинне навчання, альтернативні рішення, що не використовують самозавантаження, можуть бути більш ефективними.

Управління ключами також є важливим викликом. Деякі проекти FHE вимагають управління ключами з пороговим значенням, що передбачає групу валідаторів, які мають можливість розшифровки. Цей підхід потребує подальшого розвитку для подолання проблеми єдиної точки відмови.

Стан ринку FHE

Багато криптоінвестиційних компаній активно інвестують у сферу FHE, вбачаючи в ній потенціал. Декілька проєктів розробляють додатки на базі FHE, такі як ігри, платіжні системи тощо. Порогове FHE (TFHE) поєднує FHE з MPC та блокчейном, відкриваючи нові сценарії застосування. Дружелюбність розробників FHE, така як підтримка використання поширених мов програмування для розробки, робить його більш практичним і реалістичним у розробці додатків.

Регуляторне середовище

Регуляторне середовище для технологій конфіденційності, таких як FHE, відрізняється в різних регіонах. Незважаючи на те, що конфіденційність даних загалом підтримується, фінансова конфіденційність все ще знаходиться в сірій зоні. FHE має потенціал для посилення захисту конфіденційності даних, дозволяючи користувачам зберігати право власності на дані та, можливо, отримувати з них прибуток, при цьому зберігаючи соціальні вигоди.

Висновок

Повністю гомоморфне шифрування перебуває на ключовій стадії трансформації в області шифрування, пропонуючи передові рішення для захисту конфіденційності та безпеки. Завдяки технологічному прогресу та увазі капіталу, FHE має потенціал для масштабного застосування, вирішуючи ключові проблеми масштабованості блокчейну та захисту конфіденційності. З розвитком технології FHE відкриє інноваційні можливості для різноманітних застосувань в екосистемі шифрування.