Kryptografie war lange Zeit Mathematikern und Informatikern vorbehalten. Doch jüngste Fortschritte, insbesondere bei Zero-Knowledge-Technologien, verwandeln kryptografische Systementwürfe von komplexen mathematischen Konstruktionen in zugänglichere und einfachere Programmieraufgaben. Dieser transformative Prozess, bekannt als programmierbare Kryptografie, schließt effektiv die Lücke zwischen Protokollentwürfen und deren praktischer Implementierung und wird tiefgreifende Auswirkungen auf unsere Sicherheit und Privatsphäre haben, sowohl in der Blockchain als auch online.
Die Herausforderungen bei der Umsetzung der Kryptographietheorie in die Praxis
Im Wesentlichen ist Kryptographie einfach der Vorgang des Versendens privater Nachrichten zwischen Entitäten. Der Akt selbst bringt mehrere Anforderungen mit sich – so müssen sowohl Absender als auch Empfänger die Nachrichten verstehen können, aber ein Abhörgerät von Drittanbietern darf dies nicht. Wichtig ist auch, dass sichergestellt werden muss, dass die Nachricht vor der Zustellung nicht manipuliert werden kann. Beispielsweise bieten digitale Signaturen Authentifizierung und Integrität für die Kommunikation über unsichere Kanäle.
Moderne kryptografische Systeme decken heute den Bedarf an Schutz aller Arten von Online-Daten und -Nachrichten während der Speicherung, Übertragung und Berechnung ab, darunter im Bankwesen, bei Auktionen, im E-Commerce und in der Blockchain, um nur einige zu nennen. Zu diesen Systemen gehören unter anderem Zero-Knowledge-Proofs (ZKP), Multi-Party-Computation (MPC) und vollständig homomorphe Verschlüsselung (FHE). Jedes dieser mathematisch verwurzelten Systeme ist auf bestimmte Szenarien und Bedürfnisse zugeschnitten.
MPC schützt die Privatsphäre der Eingabedaten in Szenarien, in denen mehrere Parteien gemeinsam Berechnungen durchführen. Ein Anwendungsfall für MPC ist die institutionelle Verwahrung, die von Firmen wie Fireblocks verwendet wird und eine Trennung der Verantwortung zwischen den einzelnen Personen ermöglicht, die ein Wallet überwachen. ZKPs ermöglichen effizient überprüfbare Berechnungen und Datenschutz in Einzelparteikontexten und werden derzeit in den Bereichen Blockchain-Datenschutz und -Skalierung verwendet.
Die Einführung moderner kryptografischer Systeme eröffnet der digitalen Welt viele spannende Möglichkeiten, bringt aber auch erhebliche Herausforderungen mit sich. Lange Zeit konnten die Menschen nur auf dedizierte kryptografische Protokolle zugreifen, die für bestimmte Anwendungen entwickelt wurden, etwa private Kreuzungen, private Auktionen und Abstimmungen sowie die physische Identitätsprüfung. Es ist nicht einfach, diese Systeme in der realen Welt funktionsfähig zu machen. Kryptografen müssen alles sorgfältig planen, etwa Sicherheitsannahmen, primitive Auswahlmöglichkeiten und Leistungsoptimierung. Dies schränkt die großflächige Anwendung von Kryptosystemen ein. Die Fähigkeit, ein kryptografisches Protokoll effizient in einem allgemeinen Szenario zu implementieren, spielt eine entscheidende Rolle, um die Kryptografie von der Theorie in die reale Welt zu bringen.
Die Rolle der programmierbaren Kryptographie
Um die weit verbreiteten Akzeptanzprobleme von Kryptosystemen zu lösen, wurden in einige Designs schaltungsbasierte Funktionsbeschreibungen integriert. Theoretisch kann ein Kryptosystem, wenn seine Basismodule eine Turingmaschine emulieren können, für allgemeine Rechenprobleme verwendet werden. Dieser Ansatz, bei dem Kryptosysteme durch Schaltungsbeschreibungen verwendet werden, wird als programmierbare Kryptografie bezeichnet. Die theoretische Machbarkeit reicht jedoch für reale Anwendungen bei weitem nicht aus. Sobald die Komplexität eines solchen Kryptosystems mit der Größe des Rechenproblems zu schnell wächst, wird seine praktische Anwendung unrealistisch. Um die Lücke zwischen Theorie und Praxis zu schließen, verfeinern Kryptografen diese Algorithmen kontinuierlich. Dazu gehört das Entwerfen neuer Frameworks, das Optimieren zugrunde liegender Grundelemente und das Refactoring technischer Implementierungen.
Forscher bei 0xPARC und Privacy and Scaling Explorations leisten Pionierarbeit, die es zkSNARKs, der Zero-Knowledge-Proof-Konstruktion, die mittlerweile in Blockchain-Infrastrukturen wie ZCash und zkEVM weit verbreitet ist, ermöglicht, programmierbare Kryptografie zu werden.
Sie haben einen Proof of Concept für Identitätsansprüche unter Verwendung programmierbarer ZKPs vorgestellt. Dieser innovative Ansatz ermöglicht die Überprüfung der Berechtigung einer Person für Dienste über ihre E-Mail oder soziale Medien, ohne den tatsächlichen Inhalt dieser Mitteilungen preiszugeben, wodurch persönliche Informationen vertraulich bleiben.
In einer weiteren bahnbrechenden Anwendung ermöglicht programmierbare Kryptografie die vertrauliche Berechnung von Kredit-Scores aus den Interaktionen eines Benutzers mit Web 2.0-Diensten wie sozialen Medien, ohne dass konkrete Aktivitäten offengelegt werden. Dies ermöglicht eine datenschutzorientierte Bewertung der Kreditwürdigkeit und revolutioniert die Bewertung der finanziellen Vertrauenswürdigkeit in der heutigen digitalen Welt.
Die Vorteile der programmierbaren Kryptografie liegen auf mehreren Ebenen. Erstens macht sie die praktischen Anwendungen der Kryptografie weitaus flexibler und anpassungsfähiger. Die Programmierbarkeit macht die angewandte Kryptografie zudem von einer Nischendisziplin, die nur wenigen Akademikern zugänglich ist, zu einem globalen Pool von Entwicklern, was Experimente und Innovationen fördert.
Kein Allheilmittel, aber ein Wendepunkt
Eine wesentliche Einschränkung der programmierbaren Kryptografie in ihrem aktuellen Zustand besteht darin, dass sich die Forschung überwiegend auf zkSNARKs konzentriert hat. Es ist jedoch erwähnenswert, dass sich viele kryptografische Technologien noch in einem relativ frühen Entwicklungsstadium befinden und bedeutende Durchbrüche in Anwendungsfällen erst in den letzten zwei Jahrzehnten erzielt wurden. Die ZK-Technologie war aufgrund des Interesses an Blockchain und Kryptowährungen im selben Zeitraum ein besonderer Investitions- und Schwerpunktbereich. Bei einem ähnlichen Maß an Interesse und Innovation ist es möglich, dass praktische Durchbrüche in den Bereichen MPC oder HE zur Entstehung programmierbarer Elemente führen könnten.
Da unser Leben immer stärker online stattfindet, wird die Fähigkeit, unsere Daten und Kommunikation zu schützen und zu authentifizieren, immer wichtiger. Programmierbare Kryptografie bietet die Möglichkeit, Barrieren abzubauen und eine neue Ära moderner Verschlüsselung einzuläuten, die zugänglicher und reif für zukünftige Entwicklungen ist.
Über ARPA
ARPA Network (ARPA) ist ein dezentrales, sicheres Rechennetzwerk, das die Fairness, Sicherheit und Privatsphäre von Blockchains verbessern soll. Das ARPA-Schwellenwert-BLS-Signaturnetzwerk dient als Infrastruktur für einen überprüfbaren Zufallszahlengenerator (RNG), ein sicheres Wallet, eine Cross-Chain-Brücke und eine dezentrale Verwahrung über mehrere Blockchains hinweg.
ARPA war früher als ARPA Chain bekannt, ein datenschutzwahrendes Multi-Party Computation (MPC)-Netzwerk, das 2018 gegründet wurde. ARPA Mainnet hat in den vergangenen Jahren über 224.000 Rechenaufgaben abgeschlossen. Unsere Erfahrung mit MPC und anderen Kryptografiemethoden legte den Grundstein für unser innovatives Systemdesign für Schwellenwert-BLS-Signaturschemata (TSS-BLS) und führte uns zum heutigen ARPA-Netzwerk.
Randcast, ein verifizierbarer Zufallszahlengenerator (RNG), ist die erste Anwendung, die ARPA als Infrastruktur nutzt. Randcast bietet eine kryptografisch generierte Zufallsquelle mit überlegener Sicherheit und niedrigen Kosten im Vergleich zu anderen Lösungen. Metaverse, Spiele, Lotterien, NFT-Prägung und Whitelisting, Schlüsselgenerierung und die Verteilung von Blockchain-Validierungsaufgaben können von der manipulationssicheren Zufälligkeit von Randcast profitieren.
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