Seit der Einführung von Bitcoin im Jahr 2009 hat sich die Blockchain-Technologie dramatisch weiterentwickelt und sich von einem einfachen Kryptowährungs-Ledger zu einer Plattform entwickelt, die häufig in dezentralen Anwendungen verwendet wird. Ihre grundlegenden Eigenschaften – Unveränderlichkeit, Transparenz und Dezentralisierung – haben die Blockchain zu einem soliden Rahmen für sichere Datentransaktionen gemacht und die Notwendigkeit traditioneller Vermittler überflüssig gemacht.
Obwohl die Blockchain-Technologie Fortschritte gemacht hat, bestehen weiterhin Bedenken hinsichtlich des Datenschutzes. Während Blockchain die Sicherheit der Datenübertragung durch Verschlüsselung gewährleistet, kann der zur Verarbeitung der Daten durchgeführte Entschlüsselungsprozess potenzielle Sicherheitslücken aufweisen. Diese Schwachstelle ist besonders wichtig in Bereichen, in denen die Vertraulichkeit und Integrität der Daten von entscheidender Bedeutung ist, wie z. B. dezentrale Anwendungen (dApps) und Finanzsysteme, die im Web3-Framework ausgeführt werden.
Um diese Risiken zu mindern, werden fortschrittliche Verschlüsselungsmethoden wie die vollständig homomorphe Verschlüsselung (FHE) und wissensfreie Beweise (ZKP) immer wichtiger. Diese Technologien bieten eine revolutionäre Möglichkeit, die Vertraulichkeit von Daten zu berechnen und zu überprüfen, ohne die zugrunde liegenden sensiblen Informationen preiszugeben.
In diesem Artikel werden wir die Schlüsselrolle von FHE und ZKP bei der Verbesserung des Datenschutzes von Blockchain-Anwendungen eingehend analysieren und die Bedeutung dieser Technologien für das zukünftige Entwicklungspotenzial des Blockchain-Datenschutzes hervorheben.
Einführung
Die Geschichte von FHE und ZKP reicht Jahrzehnte zurück. Beide haben sich im Laufe der Zeit erheblich weiterentwickelt und spielen immer noch eine wichtige Rolle bei der Verbesserung des Datenschutzes.
Vollständig homomorphe Verschlüsselung (FHE)
FHE ist eine hochentwickelte Verschlüsselungsmethode, die es ermöglicht, Funktionen direkt auf verschlüsselten Daten auszuführen und so deren Vertraulichkeit während des gesamten Prozesses zu wahren. Im Wesentlichen verschlüsselt FHE die Daten während der Speicherung und Berechnung und behandelt die Verschlüsselung als eine sichere „Black Box“, in der nur der Eigentümer des Schlüssels die Ausgabe entschlüsseln kann. Das FHE-Konzept wurde erstmals 1978 vorgeschlagen, um Computerhardware zu modifizieren, um eine sichere Verarbeitung verschlüsselter Daten zu ermöglichen. Aufgrund der Fortschritte bei der Rechenleistung wurde jedoch erst 2009 eine praktikable FHE-Lösung verfügbar. Dieser Durchbruch ist größtenteils Craig Gentry zu verdanken, dessen innovative Arbeit einen wichtigen Meilenstein auf diesem Gebiet darstellte.
Erläuterung wichtiger Begriffe:
Vollständig: Zeigt die Fähigkeit an, verschiedene Operationen an verschlüsselten Daten durchzuführen, z. B. Addition und Multiplikation.
Homomorph: bezieht sich auf die Fähigkeit, Berechnungen direkt an verschlüsselten Daten durchzuführen, ohne diese zu entschlüsseln.
Verschlüsselung: Beschreibt den Prozess der Konvertierung von Informationen in ein sicheres Format, um unbefugten Zugriff zu verhindern.
Der Bereich FHE hat seit 2009 erhebliche Fortschritte gemacht, wobei 2013 ein großer Durchbruch gelang, der den Relinearisierungsprozess vereinfachte und die Effizienz von FHE deutlich verbesserte. Diese Fortschritte zeigen die Fähigkeit von FHE, eine Vielzahl arithmetischer Operationen an verschlüsselten Daten durchzuführen und so deren Sicherheit und Integrität zu schützen, ohne deren Inhalt preiszugeben.
Zero-Knowledge-Proof (ZKP)
ZKP wurde erstmals 1985 in der wegweisenden Arbeit „Knowledge Complexity of Interactive Proof Systems“ von Shafi Goldwasser, Silvio Micali und Charles Rackoff vorgeschlagen. ZKP war ursprünglich ein theoretisches Konzept und erlebte erst mit der Einführung von zk-SNARKs im Jahr 2012 eine bedeutende Entwicklung. zk-SNARKs sind eine Art ZKP, das die Authentizität jeder Berechnung überprüfen kann, ohne nahezu irgendwelche Informationen preiszugeben.
In einem typischen ZKP gibt es zwei Hauptrollen: Prüfer und Prüfer. Das Ziel des Prüfers besteht darin, eine bestimmte Aussage zu bestätigen, und die Aufgabe des Prüfers besteht darin, den Wahrheitsgehalt der Aussage zu bewerten, ohne zusätzliche Informationen zu erfahren. Dieser Ansatz ermöglicht es dem Prüfer, nur die notwendigen Beweise offenzulegen, die zur Überprüfung der Aussage erforderlich sind, wodurch die Vertraulichkeit der Daten geschützt und die Privatsphäre verbessert wird.
Mit dem Aufkommen der Blockchain-Technologie und Kryptowährungen haben die praktischen Anwendungen von ZKP dramatisch zugenommen. Sie sind von entscheidender Bedeutung für die Erleichterung privater Transaktionen und die Verbesserung der Sicherheit intelligenter Verträge. Das Aufkommen von zk-SNARKs hat zur Entwicklung von Lösungen wie zCash, zkRollups und zkEVMs geführt und das, was einst ein akademisches Unterfangen war, in ein Ökosystem voller realer Anwendungen verwandelt. Diese Verschiebung unterstreicht die wachsende Bedeutung von ZKP für die Sicherung dezentraler Systeme wie Ethereum und die Förderung einer starken, auf den Datenschutz ausgerichteten digitalen Infrastruktur.
ZK gegen FHE
Obwohl es einige Ähnlichkeiten zwischen FHE und ZKP gibt, gibt es erhebliche funktionale Unterschiede. FHE kann Berechnungen direkt an verschlüsselten Daten durchführen, ohne die Originaldaten preiszugeben oder darauf zuzugreifen, und so genaue Ergebnisse liefern, ohne die zugrunde liegenden Informationen preiszugeben.
Die beiden Technologien unterscheiden sich in folgenden Punkten:
Verschlüsselungsberechnung:
ZKP hat Schwierigkeiten, verschlüsselte Daten (z. B. private ERC-20-Tokens) von mehreren Benutzern zu verarbeiten, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen. Im Gegensatz dazu zeichnet sich FHE in dieser Hinsicht aus, da es Blockchain-Netzwerken mehr Flexibilität und Zusammensetzbarkeit verleiht. Allerdings erfordert ZKP häufig eine individuelle Integration für jedes neue Netzwerk oder Asset.
Skalierbarkeit:
Derzeit gilt ZKP allgemein als skalierbarer als FHE. Da die Technologie jedoch weiter voranschreitet, wird erwartet, dass sich die Skalierbarkeit von FHE in den kommenden Jahren verbessern wird.
Komplexe Berechnungen:
FHE eignet sich gut für komplexe Berechnungen mit verschlüsselten Daten und ist daher ideal für Anwendungen wie maschinelles Lernen, sicheres MPC und vollständig private Berechnungen. Im Gegensatz dazu wird ZKP typischerweise für einfachere Vorgänge verwendet, etwa zum Nachweis eines bestimmten Werts, ohne ihn preiszugeben.
Universelle Anwendbarkeit:
ZKP zeichnet sich durch spezifische Anwendungen wie Authentifizierung, Authentifizierung und Skalierbarkeit aus. FHE kann jedoch in einem breiteren Spektrum von Anwendungsbereichen eingesetzt werden, darunter sicheres Cloud Computing, datenschutzschonende künstliche Intelligenz und vertrauliche Datenverarbeitung.
Dieser Vergleich verdeutlicht die einzigartigen Stärken und Grenzen jeder Technologie und veranschaulicht ihre Relevanz für verschiedene Szenarien. Beide Technologien sind wichtige Bestandteile von Blockchain-Anwendungen, ZKP verfügt jedoch derzeit über eine ausgereiftere Anwendungsbilanz. Dennoch wird erwartet, dass sich FHE in Zukunft weiterentwickeln wird und möglicherweise in Zukunft zu einer geeigneteren Lösung für den Schutz der Privatsphäre wird.
Gemeinsamer Antrag von ZKP und FHE
Einige Anwendungen haben interessante Möglichkeiten zur Kombination von ZKP und FHE ausprobiert. Craig Gentry und Kollegen haben insbesondere den Einsatz hybrider, vollständig homomorpher Verschlüsselungstechniken untersucht, um den Kommunikationsaufwand zu reduzieren. Diese innovativen Technologien wurden in verschiedenen Blockchain-Szenarien eingesetzt und haben das Potenzial, in anderen Bereichen erforscht zu werden.
Mögliche Anwendungen der Kombination von ZKP und FHE sind:
Sicheres Cloud-Computing: FHE verschlüsselt Daten, während ZKP ihre Richtigkeit überprüft, was es ermöglicht, sicheres Computing in der Cloud durchzuführen, ohne die Originaldaten preiszugeben.
Elektronische Stimmabgabe: Diese Kombination gewährleistet die Vertraulichkeit der Stimmzettel und bestätigt die genaue Auszählung der Stimmen.
Finanztransaktionen: Im Finanzsektor wahrt diese Integration die Vertraulichkeit von Transaktionen und ermöglicht es den Parteien gleichzeitig, deren Richtigkeit zu überprüfen, ohne Details preiszugeben.
Medizinische Diagnose:Medizinische Daten werden verschlüsselt und können von medizinischen Dienstleistern analysiert werden, die Diagnosen bestätigen können, ohne auf sensible Patienteninformationen zuzugreifen.
Die kombinierte Anwendung von ZKP und FHE verspricht eine Verbesserung der Identitäts- und Datensicherheit in Anwendungen und ist eine weitere Untersuchung und Forschung wert.
Aktuelle FHE-Projekte
Im Folgenden sind einige Projekte aufgeführt, die sich der Anwendung der FHE-Technologie im Blockchain-Bereich widmen:
Zama: Ein Open-Source-Kryptografieunternehmen, das FHE-Lösungen für Blockchain und künstliche Intelligenz entwickelt.
Secret Network: Eine im Jahr 2020 eingeführte Blockchain-Plattform, die die Privatsphäre schützende Smart-Contract-Funktionalität integriert.
Sonnenschutz: Ein Compiler für FHE und ZKP.
Fhenix: Eine vertrauliche Layer-2-Blockchain, die die FHE-Technologie nutzt.
Mind Network: Eine universelle Restaking-Rollup-Lösung basierend auf FHE.
Privasea: Eine Dateninfrastrukturplattform, die FHE-Technologie nutzt, um die Berechnung verschlüsselter Daten zu erleichtern.
Zusammenfassen
FHE etabliert sich schnell als integraler Bestandteil der Cybersicherheit, insbesondere im Cloud-Computing-Bereich. Branchenriesen wie Google und Microsoft übernehmen die Technologie, um Kundendaten sicher zu verarbeiten und zu speichern, ohne die Privatsphäre zu gefährden.
Diese Technologie verspricht, die Datensicherheit plattformübergreifend neu zu definieren und eine Ära beispielloser Privatsphäre einzuläuten. Um diese Zukunft zu erreichen, ist die kontinuierliche Weiterentwicklung von Technologien wie FHE und ZKP erforderlich. Die Zusammenarbeit zwischen Disziplinen, einschließlich Kryptographen, Softwareingenieuren, Hardwareexperten und politischen Entscheidungsträgern, ist von entscheidender Bedeutung, um sich im regulatorischen Umfeld zurechtzufinden und eine breitere Akzeptanz zu fördern.
Auf dem Weg in eine neue Ära der digitalen Souveränität ist es wichtig, über die neuesten Entwicklungen in Bereichen wie FHE und ZKP auf dem Laufenden zu bleiben, wo Datenschutz und Sicherheit nahtlos integriert sind. Wenn wir die Informationen auf dem neuesten Stand halten, können wir uns in dieser sich entwickelnden Landschaft effektiv zurechtfinden und das volle Potenzial dieser fortschrittlichen Verschlüsselungstools ausschöpfen.