Rekursive Zero-Knowledge-bevis for privat tunnelering

Vent nå litt, hva er egentlig rekursive nullkunnskapsbevis?

Har du noen gang lurt på hvordan du kan bevise for en venn at du har nøklene til en låst safe, uten faktisk å vise frem nøklene eller åpne døren? Det høres ut som et trylletriks, men i kryptografiens verden kaller vi dette et nullkunnskapsbevis (zero-knowledge proof, eller ZKP).

Den enkleste måten å forstå rekursive bevis på, er å se for seg at du tar en selfie i en park i dag mens du holder et utskrevet bilde av deg selv i den samme parken fra i går. For å bevise at du har vært der hele uken, tar du bare et nytt bilde hver dag mens du holder bildet fra dagen før.

Når du kommer til dag sju, vil dette ene siste bildet bevise hele ukens historikk fordi det inneholder et "bevis på et bevis". Ifølge sCrypt gjør denne logikken det mulig for oss å aggregere tusenvis av transaksjoner – inkludert komplekse "håndtrykk" mellom brukere – til én liten, verifiserbar streng.

• Kunnskap uten eksponering: Du beviser at du kjenner en hemmelighet (som en privatnøkkel for en VPN) uten å lekke en eneste bit av de faktiske dataene.
• Rekursiv nesting: Et bevis verifiserer ikke bare data; det verifiserer at en tidligere verifisering ble utført korrekt.
• Skalering av det umulige: Innen finans betyr dette at en bank kan bevise at en million handler er gyldige uten at en revisor trenger å sjekke hver eneste én.

Standardbevis er vel og bra, men de blir fort "tunge". Som påpekt i forskning fra Anoma, er det et mareritt for en mobilbruker å måtte beregne hver eneste tilstandsendring helt fra blokkjedens første blokk (genesis).

Vanlige zk-SNARKs kan bli for store eller trege for privat tunneling i sanntid. (zk-SNARKs: From Scalability Issues to Innovative Solutions) Hvis din dVPN måtte generere et massivt bevis for hver eneste pakke, ville internetthastigheten din snegle seg av gårde. Rekursive bevis løser dette ved å "komprimere" sannheten.

Og det er det som er det geniale – det spiller ingen rolle om du beviser én time med data eller ti år; beviset forblir lite. Vi skal nå se nærmere på hvordan dette faktisk bygger en "privat tunnel".

Privat tunellering og dVPN-revolusjonen

Har du noen gang følt at din "private" VPN egentlig bare er et glasshus med en veldig nysgjerrig utleier? Tradisjonelle VPN-tjenester fungerer i praksis som "honeypots"; de samler dataene dine på én sentral server, hvor de bare ligger og venter på at en hacker eller en rettslig pågang skal banke på døren.

De fleste bruker en VPN for å skjule seg, men i realiteten flytter du bare tilliten fra nettleverandøren (ISP) din til et selskap som Nord eller Express. Hvis serveren deres blir kompromittert, ligger metadataene dine – hvem du er, når du logget inn og hvor mye data du overførte – klare til å bli hentet ut.

• Sentraliserte mål for hackere: En sentralisert server er et gigantisk mål. Hvis en ondsinnet aktør bryter seg inn i en leverandørs database, får de ikke bare tak i informasjonen til én person, de får alt om alle.
• Skiftet mot dVPN: I en desentralisert VPN (dVPN) driftes nodene av helt vanlige folk. Det fungerer som et "Airbnb for båndbredde". Du stoler ikke på ett stort selskap; du benytter deg av et desentralisert node-nettverk (P2P).
• Tillitsløs verifisering: Siden du ikke kjenner personen som driver noden, trenger du en metode for å bevise at de ikke overvåker trafikken din eller lyver om datamengden som sendes. Det er her rekursive nullkunnskapsbevis (ZKP) kommer inn i bildet.

I Web3-verdenen handler tunellering om mer enn bare å flytte datapakker; det handler om å pakke dem inn i lag med kryptografiske bevis. Målet er å flytte data mellom noder uten at node-eieren kan se innholdet eller i det hele tatt vite din sanne identitet.

Kryptering skjuler selve innholdet, men det skjuler ikke det faktum at du kommuniserer. Som påpekt av sCrypt i forrige seksjon, lar rekursive bevis oss aggregere disse håndtrykkene (handshakes) slik at nettverket forblir raskt.

Jeg har sett teknologi-entusiaster sette opp slike noder i kjelleren for å tjene krypto-belønninger (token rewards). Innen gaming betyr dette at en spiller kan redusere forsinkelse (lag) ved å koble seg til via en lokal node, uten at node-eieren kan se kontodetaljene deres. For journalister kan en P2P-tunell gi tilgang til blokkerte nettsteder, samtidig som man sikrer at ingen enkeltserver sitter med "hovednøkkelen" til den sensitive forbindelsen.

Ifølge forskning fra Tari Labs University, gjør bruken av "amicable pairs" av elliptiske kurver det mulig for verifiseringen å sjekke tunellens integritet uten å måtte utføre de tunge beregningene selv. Dette gjør at hele det "tillitsløse" konseptet faktisk fungerer sømløst på en mobiltelefon.

Neste steg er å se på hvordan disse bevisene faktisk "komprimerer" dataene, slik at hastigheten din ikke strupes.

Matematikken bak magien: SNARKs, Halo og mer til

For at disse "private tunnelene" faktisk skal fungere, kreves det tung matematikk som i praksis føles lettvektig. Her er en gjennomgang av teknologien som muliggjør dette:

• SNARKs (Succinct Non-interactive Arguments of Knowledge): Dette er rockestjernene i ZKP-verdenen. De er "succinct" (kortfattede) fordi beviset er minimalt, og "non-interactive" (ikke-interaktive) fordi bevisføreren kan sende over beviset uten å måtte gå gjennom en frem-og-tilbake-prosess med kontrolløren.
• Halo-protokollen: Dette var et massivt gjennombrudd fordi det fjernet behovet for et "trusted setup" (klarert oppsett). Tidligere SNARKs krevde at en hemmelig nøkkel ble generert og deretter slettet; hvis noen beholdt en kopi, kunne de forfalske bevis. Halo, som beskrevet i forskning fra Electric Coin Company, bruker "nøstet amortisering" for å verifisere bevis uten denne risikable, innledende hemmeligheten.
• Sykluser av elliptiske kurver: Det høres kanskje ut som navnet på et progrock-band, men dette er den hemmelige ingrediensen for mobile dVPN-løsninger. Ved å bruke "vennlige par" av kurver (som Tweedledum og Tweedledee), kan en smarttelefon verifisere et bevis ved hjelp av sitt eget innebygde matematiske språk. Dette gjør rekursjon rask nok til å håndtere datatrafikk i sanntid.

De færreste er klar over at det å kontrollere et kryptografisk bevis faktisk er en ganske krevende beregningsoppgave. Hvis en dVPN-node måtte kontrollere historikken til hver eneste datapakke fra bunnen av, ville Netflix-streamingen din sett ut som en bildefremvisning fra 1995.

Som tidligere nevnt løser rekursive bevis dette ved å "komprimere" arbeidsmengden. Men det finnes enda et triks: Parallell bevisgenerering. I stedet for at én person sjekker tusen kvitteringer på rad, ansetter du tusen personer til å sjekke én kvittering hver, for så å kombinere resultatene til én liten "hovedkvittering".

Jeg har sett dette utspille seg i langt mer enn bare nettlesing. Innen finans bruker høyfrekvente tradere disse parallelle SNARK-bevisene for å bekrefte at en million handler er gyldige uten at revisoren må sjekke hver enkelt, noe som holder markedet i bevegelse i lysets hastighet.

Ifølge Jiaheng Zhangs forskning ved UC Berkeley, har protokoller som Virgo og Libra presset dette enda lenger og oppnådd "optimal bevisføringstid". Dette betyr at tiden det tar å generere beviset nå er strengt lineær i forhold til datamengden – slutt på eksponentielle forsinkelser.

Vi har altså matematikken som trengs for å holde ting raskt og privat. Men hvordan hindrer dette egentlig noen fra å stjele dataene dine? Videre skal vi se på hvordan dette passer inn i det større bildet av fysisk maskinvare og DePIN-infrastruktur.

Tokenisert båndbredde og internetts svar på Airbnb

Har du noen gang tenkt over hvor mye av internettforbindelsen din hjemme som bare står ubrukt mens du er på jobb eller sover? Det er som å ha et gjesterom som står tomt hele året – bortsett fra at i dette tilfellet er "rommet" din ubrukte opplastingshastighet.

Det er her tokenisert båndbredde kommer inn i bildet. Det fungerer i praksis som "internettets Airbnb". I stedet for å la den ekstra kapasiteten gå til spille, kan du leie den ut til et node-basert P2P-nettverk (peer-to-peer) og få betalt i krypto.

Utvinning av båndbredde, eller såkalt "bandwidth mining", er i ferd med å bli en massiv trend fordi det snur den tradisjonelle ISP-modellen på hodet. Vanligvis betaler du selskaper som Telenor eller Telia for en fast linje, og de bryr seg lite om du faktisk bruker 1 % eller 90 % av kapasiteten.

Med en desentralisert VPN (dVPN) fungerer ruteren din som en "node". Når noen på andre siden av kloden trenger en sikker tilkobling, oppretter de en tunnel gjennom din IP-adresse, og du tjener tokens for datatrafikken som flyttes. Dette er en måte for brukere å ta tilbake kontrollen på, og nettsteder som SquirrelVPN følger tett med på hvordan disse funksjonene bidrar til et mer åpent internett.

Men det finnes en utfordring: Hvordan vet personen som betaler deg at du faktisk har levert båndbredden? Du kunne i teorien ha løyet og sagt at du sendte 10 GB når du egentlig bare sendte 1 GB. Det er her de rekursive ZKP-løsningene (Zero-Knowledge Proofs) vi snakket om tidligere, kommer inn og redder dagen.

Hele systemet drives av tilbud og etterspørsel etter globale IP-adresser. En forsker i Tyrkia kan ha behov for en USA-basert IP for å omgå lokal sensur, mens en liten bedrift i Ohio har overskudd av fiberkapasitet de kan avse.

• Smarte kontrakter for tillit: Betalinger skjer automatisk. Du slipper å vente på en overføring; blokkjeden håndterer mikrotransaksjoner hver gang en datapakke blir verifisert.
• Personvern som grunnmur: Magien med ZKP betyr at selv om jeg tjener tokens på trafikken din, har jeg absolutt ingen anelse om hva du faktisk foretar deg på nettet.
• Bransjeeffekt: Innen detaljhandel bruker selskaper P2P-nettverk for å sjekke hvordan prisene deres ser ut for kunder i ulike land, uten å bli blokkert av anti-bot-programvare.

Som påpekt i en studie fra sCrypt i 2022, er dette bare mulig fordi vi kan aggregere tusenvis av disse små bruksbevisene til ett enkelt "hovedbevis". Dette forhindrer at blokkjeden blir overbelastet av milliarder av små betalingskvitteringer.

Ærlig talt er dette en vinn-vinn-situasjon. Du finansierer internettabonnementet ditt ved å dele det, og verden får et mer robust og sensurbestandig internett.

DePIN: Den nye fysiske infrastrukturen

Har du noen gang lurt på hvorfor vi fortsatt er avhengige av massive serverparker eid av gigantiske teknologiselskaper for å drive hele internett? Det føles nesten som om vi leier luften vi puster inn fra en utleier som overvåker alt vi gjør.

Det er her DePIN (desentraliserte fysiske infrastrukturnettverk) kommer inn for å snu opp-ned på ting. I stedet for at ett enkelt selskap eier «rørene», er det fellesskapet som eier maskinvaren – ruteren din, naboens lagringsdisk, eller kanskje en lokal værstasjon – og får betalt i tokens for å holde systemet i gang.

• Maskinvare uten hegemoni: DePIN forvandler vanlige enheter til «noder» som fungerer som ruterne og serverne i et nytt, globalt nett. Du er ikke lenger bare en forbruker; du er en del av selve infrastrukturen.
• Motstandskraft mot sensur: Siden det ikke finnes noen sentral «av-bryter», er det utrolig vanskelig for myndigheter eller internettleverandører (ISP-er) å stenge ned et P2P-nettverk.
• Effektivitetsgevinsten: Ifølge Jiaheng Zhangs forskning ved UC Berkeley, gjør protokoller som deVirgo det mulig for disse distribuerte nettverkene å skalere ved at flere maskiner håndterer bevisgenerering parallelt. Dette gjør hele systemet «optimalt» når det gjelder hastighet.

Den virkelige utfordringen med DePIN er å bevise at alle disse tilfeldige nodene faktisk gjør det de påstår. Hvis jeg betaler deg for båndbredde, må jeg vite at du ikke bare har fabrikkert dataloggene.

Rekursive bevis fungerer som «limet» her. De bruker IVC (Incrementally Verifiable Computation) for å verifisere tilstandsendringer. Forenklet sett er IVC den matematiske prosessen med å oppdatere et bevis steg for steg etter hvert som nye data legges til, slik at man slipper å starte bevisføringen helt fra scratch hver gang en ny datapakke flyttes.

Innen logistikk betyr dette at et nettverk av private sensorer kan verifisere at en forsendelse holdt riktig temperatur gjennom ti forskjellige lastebiler, uten å avsløre den nøyaktige GPS-ruten til disse bilene.

Ærlig talt er det ganske kult å se hvordan dette beveger seg fra teori til faktisk maskinvare som står på skrivebordet til folk.

Implementering av private tunneler med rekursive ZKP-er

Å gå fra teori til kode er der ting virkelig blir komplekst. For å bygge en tunnel basert på rekursive ZKP-er (Zero-Knowledge Proofs), må vi oversette nettverksatferd til aritmetiske kretser. Se på disse som en serie logiske porter som behandler dataene dine. "Vitnet" (the witness) er den hemmelige delen av beviset – som din private nøkkel eller det faktiske innholdet i webtrafikken din – som aldri blir avslørt for noden som drifter tunnelen.

• Aritmetiske kretser: Vi definerer tunnelens regler ved hjelp av matematikk. I stedet for at en server sjekker loggene dine, verifiserer kretsen at datapakken fulgte riktig rute og ikke ble manipulert underveis.
• Håndtering av vitnet: Vi bruker "maskeringspolynomer" for å skjule vitnet. Som tidligere diskutert i forskning av Jiaheng Zhang, sørger disse små maskene for at selv om en node ser beviset, kan de ikke rekonstruere eller dekode dataene dine.
• Verifisering på millisekunder: Fordi bevisene er rekursive, trenger verifikatoren bare å sjekke det siste beviset i kjeden. Dette skjer i løpet av millisekunder, noe som muliggjør sømløs 4K-strømming eller en spilløkt helt uten forsinkelser (lag).

Ærlig talt er det ikke bare fryd og gammen. Utviklere møter betydelige hindringer når de skal bygge disse systemene for praktisk bruk. En stor utfordring er bilineære paringer. Dette er matematiske operasjoner som brukes til å verifisere bevis, men de er beregningsmessig krevende. Hvis du ikke er forsiktig, vil de sluke mobilbatteriet ditt til frokost.

Valg av riktige endelige felt (finite fields) er også en hodepine. Du trenger et felt som støtter de raske Fourier-transformasjonene (FFT) som kreves for at matematikken skal forbli effektiv. Jeg har sett utviklere slite med dette – velger du feil felt, går tiden det tar å generere beviset fra "øyeblikkelig" til "jeg tar meg en kaffe mens denne laster".

En studie fra 2020 om Virgo-protokollen viste at bruk av utvidelsesfelt av Mersenne-primtall kan gjøre modulære multiplikasjoner betydelig raskere, noe som er en total "game-changer" for batterilevetiden på mobile enheter.

Innen helsetjenester gjør disse optimaliserte tunnelene det mulig for en klinikk å sende MR-bilder til en spesialist. Det rekursive beviset garanterer at dataene ikke er endret, mens node-eieren – som kanskje bare er en person med en ruter i kjelleren – aldri får se pasientens navn eller medisinske historikk.

Fremtiden for Web3-personvernsverktøy

Tenk over forrige gang du brukte en "gratis" tjeneste og innså at det faktisk var dine data som var valutaen. Det føles litt som om vi har levd i en digital gullfiskbolle, ikke sant? Men verktøyene vi har utforsket – disse rekursive bevisene og P2P-tunnelene – er i ferd med å knuse glasset for godt.

Vi beveger oss bort fra tiden der du måtte stole på at et enkelt VPN-selskap ikke solgte nettleserhistorikken din. Med Web3-verktøy ligger ikke "tilliten" i et løfte fra en administrerende direktør; den ligger i matematikken. Som vi har sett, gjør rekursive bevis det mulig å verifisere hele nettverk uten at hastigheten strupes til sneglefart.

• FHE møter ZKP: Se for deg en verden der en server kan behandle dataene dine uten noen gang å "se" dem. Fullstendig homomorf kryptering (FHE) begynner nå å smelte sammen med Zero-Knowledge-teknologi (ZKP). Mens ZKP beviser at beregningen var gyldig, holder FHE selve dataene kryptert under selve beregningen. Det er den ultimate kombinasjonen for personvern.
• AI-drevne ruter: Fremtidens dVPN-løsninger vil ikke bare flytte pakker; de vil bruke kunstig intelligens for å optimalisere ruter på tvers av DePIN-noder. Dette betyr at tilkoblingen din automatisk finner den raskeste og mest sikre veien gjennom P2P-maskenettet (mesh-nettverket).
• Slutten på lekkasje av metadata: Standard VPN-tjenester skjuler IP-adressen din, men de lekker ofte informasjon om når og hvor mye du kommuniserer. Rekursive bevis kan aggregere disse mønstrene, slik at ditt digitale fotavtrykk fremstår som bakgrunnsstøy for alle som overvåker trafikken.

Jeg har sett teknologidrevne småbedrifter som allerede flytter sin interne kommunikasjon til disse P2P-tunnelene for å unngå industrispionasje. Innen eiendomsbransjen er det i ferd med å bli en standardmetode for å dele sensitive kontraktsdetaljer i et distribuert nettverk, uten å eksponere kjøperens identitet for hver eneste node i kjeden.

Til syvende og sist bør ikke personvern være en premiumfunksjon du betaler 99 kroner i måneden for. Det er en grunnleggende rettighet. Ved å gå over til desentraliserte, token-insentiverte nettverk, bygger vi et internett som faktisk eies av menneskene som bruker det.

Teknologien er kompleks og matematikken er krevende, men resultatet er et nett som endelig er genuint fritt. Forbli nysgjerrig, ta vare på nøklene dine, og slutt aldri å stille spørsmål ved hvem som egentlig eier dataene dine.