Dokazi bez znanja za provjeru dodjele propusnosti

Problem s dokazivanjem prijenosa podataka

Jeste li se ikada zapitali zašto plaćate "brzi" internet, a vaš se video i dalje učitava kao da je 2005. godina? To je najčešće zato što smo zapeli u odnosu "vjeruj mi na riječ" sa svojim pružateljima internetskih usluga i VPN servisima.

U starom svijetu — onome što nazivamo centraliziranim webom — povezujete se na poslužitelj u vlasništvu jedne tvrtke. Oni vam kažu koliko ste propusnosti (bandwidtha) potrošili, a vi platite račun. No, u decentraliziranoj mreži fizičke infrastrukture (DePIN), internet često dobivate putem kućnog čvora (nodea) nasumičnog korisnika.

• Centralizirani zapisi (logovi) su golema rupa u privatnosti: Većina tradicionalnih VPN-ova tvrdi da ne pohranjuje zapise ("no-logs"), ali im zapravo samo vjerujete na riječ. Ako dobiju sudski nalog, ti zapisi obično ipak postoje.
• Jaz u poštenju: Ako s vama dijelim svoju kućnu optičku vezu kako bih zarađivao kripto tokene, što me sprječava da slažem mreži i kažem da sam vam poslao 10 GB, a zapravo sam poslao samo 1 GB?
• Potreba za verifikacijom bez povjerenja ("trustless"): Treba nam način da dokažemo da su podaci doista prešli iz točke A u točku B bez posrednika koji nadzire cijelu komunikaciju.

Prema istraživanju o okvirima za dokaze s nultim znanjem (Zero-Knowledge Proof Frameworks), ZKP tehnologija omogućuje "dokazivaču" da uvjeri "verifikatora" u istinitost tvrdnje bez otkrivanja samih tajnih podataka. U našem svijetu to znači dokazivanje da sam vam poslao podatke, a da mreža pritom ne mora "njuškati" po vašim privatnim paketima.

Kada govorimo o "rudarenju propusnosti" (Bandwidth Mining) ili "Airbnb-u za internet", mi zapravo potičemo ljude da svoje usmjerivače (routere) pretvore u mini-ISP-ove. Međutim, kripto poticaji privlače i one koji pokušavaju izigrati sustav — ljude koji žele nagrade bez stvarnog obavljanja posla.

Kao što je prikazano u sljedećem dijagramu tijeka verifikacije propusnosti, potreban nam je sustav koji provjerava protok podataka bez izlaganja korisnika.

Ako dopustimo čvorovima da sami prijavljuju vlastitu statistiku, sustav će se urušiti zbog prijevara. S druge strane, ako dopustimo mreži da vidi sve kako bi verificirala promet, zapravo smo izgradili golem stroj za nadzor.

Mjerenje peer-to-peer (P2P) prometa je notorno neuredno. Za razliku od blagajne u trgovini gdje se skenira barkod, podatkovni paketi su fluidni. U industrijama poput zdravstva ili financija, ovo je još osjetljivije pitanje. Ne možete jednostavno imati treću stranu koja pregledava pakete kako bi provjerila je li čvor pošten.

Izvještaj iz 2023. godine o arkworks zkSNARK ekosustavu sugerira da modularne biblioteke postaju standard za izgradnju ovakvih "sažetih" (succinct) dokaza koji se mogu izvoditi na hardveru male snage.

Potrebna nam je matematika — točnije kriptografsko obvezivanje (cryptographic commitments) — kako bismo premostili ovaj jaz. Bez toga, propusnost ostaje usluga temeljena na "najboljem trudu" (best effort), a ne zajamčeni resurs. Budući da ovi slučajevi upotrebe zahtijevaju visoku pouzdanost, trošak izvođenja ovih provjera na blockchainu postaje glavna prepreka koju moramo savladati.

Što su zapravo dokazi s nultim znanjem (Zero-Knowledge Proofs)?

Zamislite da želite dokazati redaru na ulazu u klub da imate više od 18 godina, ali ne želite da on vidi vašu kućnu adresu, visinu ili koliko loše izgledate na slici s osobne iskaznice. Umjesto da mu predate fizički dokument, pokažete mu "crnu kutiju" koja zasvijetli zeleno samo ako ispunjavate uvjet starosti.

To je u suštini ono što dokaz s nultim znanjem (ZKP) čini za digitalni svijet. To je način da kažete: "Imam odgovor", a da pritom zapravo ne pokažete postupak ili podatke koji stoje iza njega.

U kontekstu našeg tržišta propusnosti, to je način na koji pružatelj usluge dokazuje da vam je poslao točno 500 MB šifriranog prometa, a da mreža nikada ne vidi što se nalazi unutar tih paketa. To premošćuje jaz između "vjeruj mi na riječ" i "evo matematike koja potvrđuje da ne lažem".

U svojoj srži, ZKP uključuje dva aktera: Dokazivača (osoba koja dijeli svoju propusnost) i Verifikatora (blockchain ili korisnik koji prima podatke). Cilj je da Dokazivač uvjeri Verifikatora da je tvrdnja istinita, pritom otkrivajući apsolutno nula dodatnih informacija.

Da bi ovo funkcioniralo, svaki ZKP sustav mora besprijekorno odraditi tri specifične stvari:

• Potpunost (Completeness): Ako je čvor doista poslao podatke, matematika se mora svaki put poklopiti kako bi pružatelj bio plaćen.
• Ispravnost (Soundness): Ako čvor laže, matematika bi trebala zakazati u gotovo 100 % slučajeva. Varanje nije dopušteno.
• Nulto znanje (Zero-knowledge): Verifikator ne saznaje ništa o stvarnim datotekama koje se prenose – samo to da su volumen i odredište bili ispravni.

Ovako zadržavamo "nulu" u mrežama bez povjerenja (zero-trust networks). U dVPN-u ne želite da mrežni čvorovi njuškaju po vašim Netflix navikama ili podacima za prijavu u banku. Korištenjem ZKP-a, čvor može dokazati da je ispunio svoj ugovor prema mreži – zarađujući te kripto nagrade – bez da ikada "zaviri" u vaš privatni prijenos podataka.

Kada počnete dublje istraživati tehničke detalje DePIN projekata, naići ćete na dvije glavne "varijante" ovih dokaza: SNARK-ove i STARK-ove. Zvuče kao likovi iz pjesme Lewisa Carrolla, ali u praksi imaju vrlo različite karakteristike.

zk-SNARKs (Succinct Non-Interactive Arguments of Knowledge) su stariji, etabliraniji brat. Oni su "sažeti" (succinct), što znači da su dokazi sićušni – ponekad svega nekoliko stotina bajtova. To je izvrsno za korisnike mobilnih VPN-ova jer ne troši vaš podatkovni promet samo za provjeru veze.

Međutim, većina SNARK-ova (poput poznatog Groth16 protokola) zahtijeva "povjerljivo postavljanje" (trusted setup). To je jednokratni događaj u kojem se generiraju nasumični brojevi za pokretanje sustava. Ako su ljudi koji vode to postavljanje korumpirani, teoretski bi mogli krivotvoriti dokaze. Kao što je ranije spomenuto u istraživanju o okvirima za dokaze s nultim znanjem, upravo zato mnogi novi projekti traže alternative.

zk-STARKs (Scalable Transparent Arguments of Knowledge) su novija, robusnija verzija. Ne trebaju povjerljivo postavljanje – oni su "transparentni". Također imaju ogromnu prednost: otporni su na kvantna računala.

Sljedeći dijagram arhitekture ilustrira kompromise između SNARK i STARK radnih procesa u P2P okruženju.

U P2P razmjeni propusnosti pokušavamo izgraditi decentralizirani ISP. U maloprodaji nikada ne biste platili blagajniku koji vam je samo "obećao" da je stavio mlijeko u vrećicu, a da niste pogledali unutra. U financijama ne vjerujete samo bankovnoj tablici; želite reviziju.

ZKP-ovi pružaju tu reviziju za podatke. Bilo da se radi o pružatelju zdravstvenih usluga koji šalje osjetljive kartone pacijenata preko VPN-a ili maloprodajnom lancu koji sinkronizira inventar u tisućama trgovina, oni moraju znati da su podaci stigli, a da posrednik (čvor) nije vidio njihov sadržaj.

Provjera propusnosti bez narušavanja privatnosti

Dakle, pokrenuli ste čvor (node) i dijelite svoju propusnost (bandwidth) kako biste zaradili kriptovalute. Izvrsno. No, kako mreža zapravo zna da šaljete stvarne podatke korisniku u, recimo, Berlinu, a da pritom netko doslovno ne "njuška" (sniffing) po paketima podataka kako bi to provjerio?

To je golem tehnički izazov. Ako mreža može vidjeti podatke kako bi ih verificirala, vaša privatnost je nepovratno izgubljena. Ako pak ne može vidjeti ništa, mogli biste jednostavno "rudariti" tokene šaljući bezvrijedne podatke sami sebi. Ovdje na scenu stupaju protokoli za dokaz propusnosti (bandwidth proof protocols).

Kako bismo riješili ovaj problem, koristimo specifičnu granu matematike pod nazivom Zero-Knowledge zasnovan na vOLE-u (Vector Oblivious Linear Evaluation). Znam, zvuči kao nešto iz znanstveno-fantastičnog romana, ali zapravo je nevjerojatno elegantno rješenje za prijenos podataka velikim brzinama.

Za razliku od SNARK-ova ili STARK-ova koji se često oslanjaju na složene eliptičke krivulje, vOLE je oblik "interaktivnog dokaza proročišta" (Interactive Oracle Proof) koji daje prioritet brzini dokazivača nad veličinom samog dokaza. U osnovi je stvoren za brzinu, što ga čini savršenim za verifikaciju masivnih tokova podataka u stvarnom vremenu bez usporavanja vaše veze.

• Brza verifikacija: Protokoli temeljeni na vOLE-u su izvrsni jer se ne oslanjaju na tešku matematiku u svakom koraku. To ih čini znatno bržima za rudarenje propusnosti u stvarnom vremenu.
• Provjere dosljednosti: Mreža koristi ove dokaze kako bi osigurala da čvor doista ima brzinu uploada koju deklarira. Ako tvrdite da ste "Supernode", a matematika se ne poklapa, pametni ugovor jednostavno neće pokrenuti isplatu.
• Ostanite u tijeku: Ako vas zanimaju najsitniji detalji ove tehnologije, praćenje zajednica poput squirrelvpn — izvora vijesti i zajednice za tehnologiju decentraliziranih VPN-ova — dobar je potez kako biste vidjeli koji protokoli doista dolaze na glavnu mrežu (mainnet).

Dijagram u nastavku prikazuje kako vOLE stvara sigurno rukovanje (handshake) između čvora i verifikatora.

Najzanimljiviji dio je kako se sve to povezuje s vašim novčanikom. U decentraliziranom VPN-u (dVPN), želimo da nagrade budu automatizirane. Ne biste trebali čekati da ljudski "menadžer" odobri vašu zaradu.

Koristimo pametne ugovore (Smart Contracts) koji djeluju kao vrhunski posrednici (escrow). Ovi ugovori su programirani da budu "slijepi", ali pravedni. Oni drže tokene i oslobađaju ih samo kada se podnese važeći ZKP (dokaz s nultim znanjem). Bez dokaza nema plaćanja. To je rigorozan, ali nužan način da se P2P mreža održi poštenom.

Rješavanje problema mrežnih naknada (Gas)

Jedan od najvećih izazova u prošlosti bile su "gas naknade" – trošak koji plaćate za upis podataka na blockchain. Ako je dokaz prevelik, na naknade biste potrošili više nego što biste zaradili od nagrada. Upravo je ta "ekonomija verifikacije na lancu" (on-chain verification) bila razlog propasti mnogih projekata.

Kako bismo to riješili, koristimo rekurzivne dokaze (Recursive Proofs). To je, pojednostavljeno rečeno, metoda provjere više malih dokaza unutar jednog velikog. Umjesto slanja 1.000 zasebnih transakcija na blockchain za 1.000 manjih prijenosa podataka, sustav ih grupira u jedan jedinstveni dokaz. Time se trošak naknade raspoređuje na tisuće zahtjeva, što krajnji trošak po korisniku svodi na tek nekoliko lipa.

Rješenja drugog sloja (Layer 2) također pomažu tako što prebacuju procesorski zahtjevne zadatke s glavne mreže. Verifikacijom dokaza s nultim znanjem (zkp) na bržoj i jeftinijoj mreži, uz konačnu namiru salda na glavnom blockchainu, osiguravamo profitabilnost sustava za vlasnike čvorova.

• Automatizirane isplate: Onog trenutka kada se dokaz s nultim znanjem verificira na lancu, tokeni se automatski prebacuju u novčanik čvora. Ovdje nema potrebe za "povjerenjem" – sve počiva isključivo na programskom kodu.
• Smanjenje opterećenja: Biblioteke poput arkworks pomažu u sažimanju tih dokaza kako bi bili "sažeti" (succinct) i jeftini za verifikaciju.
• Sprječavanje prijevara: Budući da je matematika iza sustava "ispravna", statistički je nemoguće da čvor lažira prijenos od 1 GB bez stvarnog posjedovanja i prijenosa tih podataka.

Primjeri primjene dokaza s nultim znanjem (ZKP) u DePIN sektoru u stvarnom svijetu

Jeste li se ikada zapitali kako možete prodati svoj višak kućnog interneta nekome u Tokiju, a da pritom nitko ne bude prevaren? Zvuči kao zaplet tehnološkog trilera, ali to je zapravo srž DePIN pokreta (decentraliziranih mreža fizičke infrastrukture).

Koncept je jednostavan: imate optičku vezu od 1 Gbps kod kuće, ali je koristite samo za gledanje Netflixa i beskonačno skrolanje po Redditu. Zašto ne biste prodali taj višak? U modelu decentraliziranog VPN-a (dVPN), vaš usmjerivač postaje mrežni čvor.

• Jamstva kvalitete usluge (QoS): Koristimo ZKP-ove kako bismo dokazali da je čvor doista pružio obećanu brzinu od 100 Mbps. Čvor generira dokaz o obavljenom "radu" (proof of work) koji blockchain verificira prije nego što se oslobodi isplata u kriptovalutama.
• Privatnost pružatelja usluge: Ne želite znati što kupac radi na mreži. ZKP-ovi omogućuju mreži da verificira volumen prometa, a da vi pritom nikada ne vidite nešifrirane pakete podataka.

Ovaj dijagram toka prikazuje kako korisnik podnosi zahtjev za propusnošću, dok čvor prilaže dokaz kako bi primio naknadu.

Jedan zanimljiv pristup vidljiv je u načinu na koji projekti rješavaju "Dokaz o povezanosti" (Proof of Connectivity). Mreža mora znati da je vaš čvor doista na mreži. Umjesto da vas pingaju svake sekunde, mogu koristiti ZKP kako bi dokazali da je vaš čvor bio aktivan tijekom određenog vremenskog prozora.

Sada prelazimo na ozbiljnije scenarije. Ako se nalazite u zemlji s restriktivnim sustavima poput "Velikog vatrozida", samo korištenje VPN-a može biti sumnjivo. Tradicionalni VPN protokoli imaju specifične "potpise" koje dubinska inspekcija paketa (DPI) može lako prepoznati.

Tu na scenu stupa pristup otporan na cenzuru. Korištenjem ZKP-ova možemo stvoriti "prikrivene" (obfuscated) veze. Cilj nije samo šifrirati podatke, već dokazati mreži da je veza valjana, a da se pritom uopće ne otkrije da je riječ o VPN tunelu.

Sljedeći dijagram prikazuje kako se metapodaci skrivaju tijekom uspostave veze kako bi se zaobišla cenzura.

Izazovi i put prema naprijed

Dakle, riješili smo matematički dio, ali može li vaš stari usmjerivač to doista podnijeti a da se ne zapali? To je ključno pitanje, jer nitko ne želi privatnu internetsku vezu koja stvara osjećaj povratka na spori dial-up modem iz devedesetih.

Stvarnost je takva da je generiranje dokaza s nultim znanjem (ZKP) „skupo“ – ne nužno u novcu, već u ciklusima procesora. Ako pokušate pokrenuti dVPN čvor velike brzine na jeftinom kućnom usmjerivaču, matematika postaje ozbiljan teret za hardver.

• Latencija naspram privatnosti: Ovdje postoji klasičan kompromis. Ako želimo stopostotnu kriptografsku sigurnost za svaki pojedini paket, vaš ping će odletjeti u nebo.
• Hardverska akceleracija: Počinjemo primjećivati pomak prema korištenju grafičkih procesora (GPU) ili specijaliziranih čipova za obradu ovih dokaza.

Ovaj završni dijagram prikazuje budući plan razvoja za hardverski ubrzanu verifikaciju ZKP-a.

Iskreno govoreći, „jaz u upotrebljivosti“ najveća je prepreka na koju nailazimo. Istraživanje iz 2024. godine, koje su proveli stručnjaci sa sveučilišta UC San Diego i Arizona State University, pokazalo je da, iako postoje brojni okviri, taj jaz i dalje predstavlja najveći izazov za programere koji pokušavaju implementirati ove alate u stvarnom svijetu. Većina korisnika dVPN-a ne želi znati ništa o eliptičkim krivuljama; oni samo žele svoju privatnost.

Gledajući unaprijed, krećemo se prema svijetu u kojem pružatelj internetskih usluga (ISP) nije gigantska korporacija u neboderu, već globalna mreža ljudi poput vas i mene. ZKP je zapravo posljednji dio slagalice za ovu Web3 infrastrukturu. To je ono što sustav čini „bespovjerljivim“ (trustless) – ne trebate poznavati osobu koja vam ustupa propusnost, jer matematika dokazuje da vas ne vara.