إثباتات المعرفة الصفرية لتخصيص النطاق الترددي في شبكات الويب 3

معضلة إثبات إرسال البيانات

هل تساءلت يوماً لماذا تدفع مقابل بيانات "عالية السرعة" بينما لا يزال البث يتوقف للتحميل وكأننا في عام 2005؟ يكمن السبب غالباً في أننا عالقون في علاقة قائمة على "الثقة العمياء" مع مزودي خدمة الإنترنت وخدمات الشبكات الخاصة الافتراضية التقليدية.

في العالم القديم — ما نسميه الويب المركزي — أنت تتصل بخادم مملوك لشركة واحدة. هم من يحددون كمية النطاق الترددي الذي استهلكته، وأنت تدفع الفاتورة. لكن في شبكات البنية التحتية الفيزيائية اللامركزية (DePIN)، غالباً ما تحصل على اتصالك بالإنترنت من عقدة منزلية يديرها شخص عادي.

• السجلات المركزية ثغرة خصوصية هائلة: تدعي معظم خدمات الشبكات الخاصة الافتراضية التقليدية أنها "لا تحتفظ بسجلات"، ولكنك ببساطة تصدق كلمتهم فحسب. فإذا استدعتهم جهة حكومية، فعادةً ما تكون تلك السجلات موجودة.
• فجوة الأمانة: إذا كنت أشارك اتصال الألياف الضوئية المنزلي الخاص بي معك لكسب رموز رقمية، فما الذي يمنعني من خداع الشبكة والادعاء بأنني أرسلت لك 10 جيجابايت بينما أرسلت في الواقع 1 جيجابايت فقط؟
• الحاجة إلى التحقق "عديم الثقة": نحن بحاجة إلى وسيلة لإثبات انتقال البيانات فعلياً من النقطة (أ) إلى النقطة (ب) دون وجود وسيط يراقب المحادثة بأكملها.

وفقاً لدراسة حول أطر عمل براهين المعرفة الصفرية، تتيح تقنية براهين المعرفة الصفرية لـ "المُثبِت" إقناع "المُتحقِق" بصحة عبارة ما دون الكشف عن البيانات السرية الفعلية. في عالمنا، هذا يعني إثبات أنني أرسلت لك البيانات دون أن تضطر الشبكة إلى "التلصص" على حزم بياناتك الخاصة.

عندما نتحدث عن "تعدين النطاق الترددي" أو "نموذج إير بي إن بي لسعة الشبكة"، فإننا نقوم أساساً بتحفيز الأشخاص لتحويل أجهزة التوجيه الخاصة بهم إلى مزودي خدمة إنترنت مصغرين. لكن الحوافز المشفرة تجذب أيضاً "المتلاعبين" — أولئك الذين يريدون المكافآت دون القيام بالعمل الفعلي.

وكما هو موضح في المخطط التالي لسير عمل التحقق من النطاق الترددي، نحن بحاجة إلى نظام يفحص تدفق البيانات دون كشف هوية المستخدم.

إذا تركنا العقد تبلغ عن إحصائياتها الخاصة فحسب، فسوف ينهار النظام بسبب الاحتيال. ومن ناحية أخرى، إذا سمحنا للشبكة برؤية كل شيء للتحقق من حركة المرور، فسنكون قد أنشأنا آلة مراقبة عملاقة.

إن قياس حركة المرور في الشبكات الند للند (P2P) عملية معقدة للغاية بطبيعتها. فخلافاً لعمليات الشراء بالتجزئة حيث يتم مسح الرمز الشريطي، فإن حزم البيانات تتسم بالسيولة. وفي قطاعات مثل الرعاية الصحية أو التمويل، تزداد حساسية هذا الأمر؛ إذ لا يمكنك ببساطة السماح لطرف ثالث بفحص الحزم للتأكد من أمانة العقدة.

يشير تقرير صادر عام 2023 من منظومة arkworks zksnark إلى أن المكتبات البرمجية النمطية أصبحت هي المعيار لبناء هذه الأنواع من "البراهين الموجزة" التي يمكن تشغيلها على أجهزة ذات قدرات معالجة منخفضة.

نحن بحاجة إلى الرياضيات — وتحديداً الالتزامات التشفيرية — لسد هذه الفجوة. وبدونها، سيظل النطاق الترددي مجرد خدمة "تبذل قصارى جهدها" بدلاً من كونها مورداً مضموناً. وبما أن حالات الاستخدام هذه تتطلب موثوقية عالية، فإن تكلفة تشغيل عمليات التحقق هذه على البلوكشين تظل عقبة رئيسية يتعين علينا تجاوزها.

ما هي براهين المعرفة الصفرية على أي حال؟

تخيل أنك تريد أن تثبت لحارس أمن في نادٍ ما أن عمرك يتجاوز 21 عاماً، لكنك لا ترغب في أن يرى عنوان منزلك، أو طولك، أو حتى مدى سوء صورتك في بطاقة الهوية. بدلاً من تسليمه البطاقة الفعليّة، ستقوم بإظهار "صندوق أسود" يضيء باللون الأخضر فقط إذا كنت تستوفي شرط السن المطلوب.

هذا هو جوهر ما يفعله "برهان المعرفة الصفرية" (Zero-Knowledge Proof - ZKP) في العالم الرقمي. إنها وسيلة لتقول: "لدي الإجابة"، دون إظهار العمليات الحسابية أو البيانات الكامنة وراءها.

في سياق سوق النطاق الترددي الخاص بنا، هذه هي الطريقة التي يثبت بها مزود الخدمة أنه أرسل لك بالضبط 500 ميجابايت من حركة المرور المشفرة دون أن تطلع الشبكة أبداً على محتوى تلك الحزم. إنها الجسر الذي يربط بين عبارة "ثق بي" وبين "إليك الحسابات الرياضية التي تؤكد أنني لا أكذب".

في جوهرها، تتضمن براهين المعرفة الصفرية طرفين أساسيين: المُثبِت (الشخص الذي يشارك نطاقه الترددي) والمُتحقِق (سلسلة الكتل "البلوكتشين" أو المستخدم الذي يتلقى البيانات). الهدف هو أن يقنع المُثبِت الطرف المُتحقِق بصحة عبارة معينة مع الكشف عن صفر من المعلومات الإضافية.

ولكي ينجح هذا النظام، يجب على كل نظام برهان معرفة صفرية أن يحقق ثلاثة شروط محددة:

• الاكتمال: إذا قام العقدة (Node) بإرسال البيانات فعلياً، يجب أن تنجح العمليات الحسابية في كل مرة حتى يحصل المزود على مستحقاته.
• النزاهة: إذا كان العقدة يحاول الخداع، يجب أن تفشل العمليات الحسابية بنسبة 100% تقريباً. لا يُسمح بأي تلاعب.
• المعرفة الصفرية: لا يتعلم المُتحقِق أي شيء عن الملفات الفعلية التي يتم نقلها — فقط يتأكد من أن الحجم والوجهة كانا صحيحين.

هذه هي الطريقة التي نحافظ بها على مبدأ "الصفر" في شبكات "انعدام الثقة" (Zero-Trust). في شبكات الـ VPN اللامركزية (dVPN)، لا تريد من عقد الشبكة التجسس على عاداتك في مشاهدة الأفلام أو بيانات تسجيل دخولك المصرفية. باستخدام براهين المعرفة الصفرية، يمكن للعقدة إثبات تنفيذ عقدها تجاه الشبكة — وكسب مكافآت العملات الرقمية — دون "التلصص" أبداً على خصوصية بياناتك.

عندما تبدأ في التعمق في التفاصيل التقنية لمشاريع البنية التحتية الفيزيائية اللامركزية (DePIN)، ستواجه نوعين رئيسيين من هذه البراهين: "سنارك" (SNARKs) و"ستارك" (STARKs).

تعد zk-SNARKs (الحجج المعرفية غير التفاعلية والموجزة) هي الأخ الأكبر والأكثر انتشاراً. وتتميز بأنها "موجزة"، مما يعني أن البراهين صغيرة جداً — أحياناً بضع مئات من البايتات فقط. وهذا أمر ممتاز لمستخدمي الـ VPN عبر الهاتف المحمول لأنه لا يستهلك باقة البيانات لمجرد التحقق من الاتصال.

ومع ذلك، فإن معظم براهين "سنارك" (مثل بروتوكول Groth16 الشهير) تتطلب "إعداداً موثوقاً" (Trusted Setup). وهو حدث يتم لمرة واحدة حيث يتم إنشاء أرقام عشوائية لبدء النظام. إذا كان الأشخاص الذين يديرون هذا الإعداد فاسدين، فيمكنهم نظرياً تزوير البراهين. وكما ذكرنا سابقاً في استطلاع أطر عمل براهين المعرفة الصفرية، فإن هذا هو السبب في أن العديد من المشاريع الجديدة تبحث عن بدائل.

أما zk-STARKs (الحجج المعرفية الشفافة والقابلة للتوسع) فهي النسخة الأحدث والأقوى. لا تحتاج إلى إعداد موثوق — فهي "شفافة". كما أنها تتمتع بميزة هائلة: وهي مقاومتها للحوسبة الكمومية.

يوضح المخطط الهيكلي التالي المقايضات بين سير عمل "سنارك" و"ستارك" في بيئة الند للند (P2P).

في تبادل النطاق الترددي بنظام الند للند، نحن نحاول بناء مزود خدمة إنترنت (ISP) لامركزي. في التجارة التقليدية، لن تدفع أبداً لمحاسب "يعدك" فقط بأنه وضع الحليب في الحقيبة دون أن تتحقق. وفي التمويل، لا تثق فقط في جداول بيانات البنك؛ بل تطلب تدقيقاً.

توفر براهين المعرفة الصفرية هذا التدقيق للبيانات. وسواء كان مزود رعاية صحية يرسل سجلات مرضى حساسة عبر VPN أو سلسلة متاجر تجزئة تقوم بمزامنة المخزون عبر آلاف الفروع، فهم بحاجة إلى معرفة أن البيانات وصلت دون أن يرى الوسيط (العقدة) المحتوى.

التحقق من عرض النطاق الترددي دون التجسس على البيانات

لنفترض أنك تقوم بتشغيل عقدة (Node) وتشارك عرض النطاق الترددي (Bandwidth) الخاص بك لكسب بعض العملات الرقمية. هذا أمر رائع. ولكن، كيف تتأكد الشبكة فعلياً من أنك ترسل بيانات حقيقية لمستخدم في برلين مثلاً، دون أن يقوم طرف ما "باعتراض" الحزم البرمجية وفحص محتواها؟

هذا يمثل تحدياً تقنياً هائلاً؛ فإذا تمكنت الشبكة من رؤية البيانات للتحقق منها، فإن خصوصيتك ستنتهي تماماً. وإذا لم تتمكن من رؤية أي شيء، فيمكنك ببساطة "تعدين" الرموز المميزة (Tokens) عبر إرسال بيانات وهمية لنفسك. هنا يأتي الدور الجوهري لـ بروتوكولات إثبات عرض النطاق الترددي.

لحل هذه المعضلة، نستخدم نوعاً خاصاً من الرياضيات يُعرف باسم إثباتات المعرفة الصفرية القائمة على vOLE (التقييم الخطي المتجهي غير المدرك). قد يبدو المصطلح وكأنه مقتبس من رواية خيال علمي، لكنه في الواقع حل عبقري للغاية لبيانات السرعة العالية.

على عكس تقنيات "snarks" أو "starks" التي غالباً ما تعتمد على المنحنيات الإهليلجية المعقدة، فإن vOLE هو شكل من أشكال "إثبات أوراكل التفاعلي" الذي يمنح الأولوية لسرعة المُثبت على حجم الإثبات. لقد صُمم خصيصاً من أجل السرعة، مما يجعله مثالياً للتحقق من تدفقات البيانات الضخمة في الوقت الفعلي دون التسبب في بطء اتصالك.

• تحقق فائق السرعة: تتميز البروتوكولات القائمة على vOLE بعدم اعتمادها على عمليات رياضية ثقيلة في كل خطوة، مما يجعلها أسرع بكثير لعمليات تعدين النطاق الترددي في الوقت الفعلي.
• فحوصات الاتساق: تستخدم الشبكة هذه الإثباتات للتأكد من أن العقدة تمتلك بالفعل سرعة الرفع التي تدعيها. إذا ادعيت أنك "عقدة فائقة" (Supernode) ولم تتطابق النتائج الرياضية مع ذلك، فلن يقوم العقد الذكي ببساطة بتفعيل عملية الدفع.
• ابقَ على اطلاع: إذا كنت مهتماً بالتفاصيل الدقيقة لهذه التقنيات، فإن متابعة مجتمعات مثل squirrelvpn—وهو مصدر إخباري ومجتمع متخصص في تقنيات الشبكات الافتراضية الخاصة اللامركزية (dVPN)—تعد خطوة جيدة لمعرفة أي البروتوكولات يتم تطبيقها بالفعل على الشبكات الرئيسية (Mainnet).

يوضح المخطط أدناه كيف ينشئ بروتوكول vOLE مصافحة آمنة بين العقدة وجهة التحقق.

الجزء الأكثر إثارة هنا هو كيفية ربط ذلك بمحفظتك الرقمية. في عالم الشبكات الافتراضية الخاصة اللامركزية (dVPN)، نسعى لأن تكون المكافآت آلية بالكامل؛ حيث لا ينبغي عليك انتظار "مدير" بشري للموافقة على أرباحك.

لذا، نستخدم العقود الذكية التي تعمل كضامن نهائي (Escrow). تمت برمجة هذه العقود لتكون "عمياء" ولكن عادلة؛ فهي تحتفظ بالرموز المميزة ولا تطلقها إلا عند تقديم إثبات معرفة صفرية (ZKP) صالح. لا إثبات، لا دفع. إنها وسيلة صارمة لكنها ضرورية للحفاظ على نزاهة شبكة الند للند (P2P).

حل مشكلة رسوم الغاز (Gas Fees)

كانت إحدى العقبات الرئيسية في السابق هي "تكاليف الغاز" (Gas Costs) — وهي الرسوم التي تدفعها لتسجيل البيانات على الشبكة السحابية (البلوكشين). فإذا كان حجم إثبات البيانات كبيراً جداً، فقد ينتهي بك الأمر بإنفاق رسوم تفوق قيمة المكافآت التي جنيتها. هذه هي معضلة "اقتصاديات التحقق على الشبكة" التي تسببت في فشل العديد من المشاريع.

ولمعالجة هذه المشكلة، نعتمد على الإثباتات التكرارية (Recursive Proofs). وهي تقنية تتيح التحقق من عدة إثباتات صغيرة داخل إثبات واحد ضخم. فبدلاً من إرسال 1,000 معاملة إلى البلوكشين مقابل 1,000 عملية نقل بيانات صغيرة، يقوم النظام بتجميعها في إثبات واحد موحد. يؤدي ذلك إلى توزيع تكلفة الغاز على آلاف المطالبات، مما يجعل التكلفة لا تتعدى بضعة سنتات لكل مستخدم.

كما تساهم حلول الطبقة الثانية (Layer 2) في تخفيف العبء عبر نقل العمليات الحسابية الثقيلة خارج السلسلة الرئيسية. ومن خلال التحقق من "إثباتات المعرفة الصفرية" (zkp) على شبكة أسرع وأرخص، ثم تسوية الرصيد النهائي فقط على البلوكشين الرئيسي، نضمن بقاء النظام مربحاً لأصحاب العقد (Nodes).

• صرف المكافآت آلياً: بمجرد التحقق من "إثبات المعرفة الصفرية" (zkp) على الشبكة، يتم تحويل الرموز المميزة (Tokens) تلقائياً إلى محفظة العقدة. لا يعتمد الأمر على "الثقة" بأي طرف، بل على الكود البرمجي فقط.
• تقليل التكاليف التشغيلية: تساعد المكتبات البرمجية المتطورة مثل arkworks في تقليص حجم هذه الإثباتات لتصبح "موجزة" (Succinct) وزهيدة التكلفة عند التحقق منها.
• منع الاحتيال: نظراً لأن الأسس الرياضية للنظام "متينة" (Sound)، فمن المستحيل إحصائياً لأي عقدة تزييف عملية نقل بيانات بحجم 1 جيجابايت دون أن تكون قد قامت بنقل البيانات فعلياً.

حالات استخدام واقعية لتقنيات إثباتات المعرفة الصفرية في شبكات البنية التحتية الفيزيائية اللامركزية (DePIN)

هل تساءلت يوماً كيف يمكنك بيع فائض سرعة الإنترنت المنزلي لديك لشخص في طوكيو دون أن يتعرض أي منكما للاحتيال؟ قد يبدو الأمر كحبكة في فيلم إثارة تقني، لكنه في الواقع الجوهر الحقيقي لحركة "دي بين" (DePIN).

الحلم بسيط: لديك اتصال ألياف ضوئية بسرعة 1 جيجابت في الثانية في المنزل، لكنك لا تستخدمه إلا لمشاهدة "نتفليكس" وتصفح "ريديت". فلماذا لا تبيع هذا الفائض؟ في نموذج الشبكة الافتراضية الخاصة اللامركزية (dVPN)، يتحول جهاز التوجيه (الراوتر) الخاص بك إلى عقدة في الشبكة.

• ضمانات جودة الخدمة (QoS): نستخدم إثباتات المعرفة الصفرية لإثبات أن العقدة قدمت بالفعل سرعة 100 ميجابت في الثانية الموعودة. تقوم العقدة بإنشاء "إثبات عمل" تتحقق منه الشبكة (البلوكشين) قبل تحرير مكافآت العملات الرقمية لك.
• خصوصية المزود: أنت لا تريد معرفة ما يفعله المشتري ببياناته. تسمح إثباتات المعرفة الصفرية للشبكة بالتحقق من حجم حركة البيانات دون أن تطلع أنت نهائياً على الحزم غير المشفرة.

يوضح هذا المخطط الانسيابي كيف يطلب المستخدم عرض النطاق الترددي وكيف تقدم العقدة إثباتاً للحصول على المقابل المادي.

هناك نهج مثير للاهتمام يظهر في كيفية تعامل المشاريع مع "إثبات الاتصال". تحتاج هذه المشاريع للتأكد من أن عقدتك متصلة بالإنترنت بالفعل. وبدلاً من إرسال إشارات تنبيه (Ping) كل ثانية، يمكنهم استخدام إثبات المعرفة الصفرية لإثبات أن عقدتك كانت نشطة خلال نافذة زمنية محددة.

الآن، دعونا نتحدث عن الأمور الأكثر خطورة وحساسية. إذا كنت في بلد يفرض رقابة صارمة عبر "جدار حماية عظيم"، فإن مجرد استخدام شبكة افتراضية خاصة (VPN) قد يكون مؤشراً يثير الشبهات. تمتلك بروتوكولات الـ VPN التقليدية "توقيعات" يمكن لتقنيات فحص الحزم العميق (DPI) اكتشافها بسهولة.

هنا يأتي دور الوصول المقاوم للرقابة. باستخدام إثباتات المعرفة الصفرية، يمكننا إنشاء اتصالات "مموهة". الهدف ليس مجرد تشفير البيانات، بل إثبات للشبكة أن الاتصال صالح دون الكشف عن كونه نفق VPN على الإطلاق.

يوضح الرسم البياني التالي كيف يتم إخفاء البيانات الوصفية أثناء الاتصال لتجاوز الرقابة.

التحديات القائمة والطريق نحو المستقبل

لقد استوعبنا الآليات الرياضية المعقدة، ولكن يبقى السؤال الجوهري: هل يستطيع جهاز التوجيه (الراوتر) القديم لديك معالجة هذه العمليات فعلياً دون أن ينهار؟ هذا هو التحدي الأكبر، فلا أحد يرغب في اتصال إنترنت خاص يعيدنا إلى ذكريات بطء الاتصال الهاتفي القديم.

الحقيقة هي أن توليد "براهين المعرفة الصفرية" (ZKPs) عملية "مكلفة" تقنياً، ليس بالضرورة من الناحية المادية، بل من حيث استهلاك دورات وحدة المعالجة المركزية (CPU). فإذا كنت تحاول تشغيل عقدة شبكة افتراضية خاصة لامركزية (dVPN) عالية السرعة على جهاز توجيه منزلي بسيط، فستصبح الحسابات الرياضية عبئاً ثقيلاً على الجهاز.

• المفاضلة بين زمن الاستجابة والخصوصية: نحن أمام معادلة صعبة؛ فإذا أردنا تحقيق يقين تشفيري مطلق بنسبة 100% لكل حزمة بيانات، فإن زمن الاستجابة (Ping) سيرتفع بشكل كبير.
• تسريع الأجهزة: بدأنا نشهد تحولاً نحو استخدام وحدات معالجة الرسومات (GPUs) أو شرائح متخصصة لمعالجة هذه البراهين بكفاءة أعلى.

يوضح المخطط التالي خارطة الطريق المستقبلية للتحقق من براهين المعرفة الصفرية المدعومة بتسريع الأجهزة.

بصراحة، تمثل "فجوة سهولة الاستخدام" أكبر عائق نواجهه حالياً. فقد كشفت دراسة أجراها باحثون في جامعة كاليفورنيا بسان دييغو وجامعة ولاية أريزونا في عام 2024 أنه رغم وجود العديد من أطر العمل، إلا أن هذه الفجوة لا تزال العقبة الكبرى أمام المطورين الذين يحاولون تطبيق هذه الأدوات على أرض الواقع. فمعظم مستخدمي شبكات الـ dVPN لا يهتمون بمعرفة تفاصيل "المنحنيات الإهليلجية"؛ كل ما يهمهم هو حماية خصوصيتهم بسلاسة.

بالنظر إلى المستقبل، نحن نمضي نحو عالم لا يكون فيه "مزود خدمة الإنترنت" (ISP) شركة ضخمة تمتلك ناطحات سحاب، بل شبكة عالمية من أفراد مثلي ومثلك. تُعد براهين المعرفة الصفرية (ZKP) القطعة الأخيرة في أحجية البنية التحتية لويب 3 (Web3)؛ فهي ما يجعل النظام "متحرراً من الثقة" (Trustless)، حيث لا تحتاج لمعرفة الشخص الذي يزودك بالنطاق الترددي، لأن الرياضيات تثبت بما لا يدع مجالاً للشك أنه لن يخدعك.