Повністю гомоморфне шифрування(FHE) розвиток та застосування

повністю гомоморфне шифрування(FHE) концепція виникла в 70-х роках XX століття, але протягом тривалого часу була важко реалізувати. Її основна ідея полягає в тому, щоб виконувати обчислення над зашифрованими даними без їх розшифрування. Спочатку можна було виконувати лише прості операції додавання або множення, що називалося частковим гомоморфним шифруванням. У 2009 році Крейг Джентрі досяг прориву, продемонструвавши повністю гомоморфне шифрування, яке дозволяє виконувати任意 обчислення на зашифрованих даних.

FHE є передовою технологією шифрування, яка дозволяє виконувати обчислення над зашифрованими даними без їх розшифровки. Це означає, що можна безпосередньо працювати з шифротекстом і генерувати зашифровані результати, які після розшифровки відповідають результатам тих самих операцій над відкритими даними.

Ключові особливості FHE

1. Однорідність: операції додавання та множення над шифротекстом еквівалентні відповідним операціям над відкритим текстом.

2. Управління шумом: FHE шифрування додає шум до шифрованих даних для забезпечення безпеки, але після кожної операції шум зростає, тому його потрібно належним чином управляти, щоб гарантувати точність розрахунків.

3. Безмежні операції: на відміну від часткового гомоморфного шифрування та певного гомоморфного шифрування, FHE підтримує безмежну кількість операцій додавання та множення.

FHE є особливим випадком гомоморфного шифрування, який дозволяє виконувати нескінченну кількість операцій додавання та множення над шифротекстом. Проте FHE стикається з двома основними викликами:

1. Потрібно контролювати шум, щоб уникнути збою в обчисленнях.
2. Витрати на обчислення з зашифрованим текстом вищі на тисячі до мільйонів разів, ніж з відкритим текстом.

Гомоморфне шифрування залежно від ступеня реалізації можна поділити на:

• Часткове гомоморфне шифрування ( PHE ): підтримує безкінечну кількість виконань однієї операції.
• Якийсь гомоморфне шифрування(SHE): підтримує обмежену кількість додавання та множення.
• повністю гомоморфне шифрування(FHE): підтримує нескінченну кількість додавання та множення, може виконувати будь-які обчислення.

Основна перевага FHE полягає в можливості виконувати будь-які обчислення над зашифрованими даними, захищаючи при цьому конфіденційність і безпеку.

Застосування повністю гомоморфного шифрування в блокчейні

FHE має потенціал стати ключовою технологією для масштабованості та захисту конфіденційності в блокчейні. Наразі блокчейн за замовчуванням є прозорим, тоді як FHE може перетворити його в частково зашифрований формат, зберігаючи при цьому контроль за смарт-контрактами.

Деякі проекти розробляють віртуальні машини FHE, які дозволяють програмістам писати код смарт-контрактів для роботи з примітивами FHE. Цей підхід може вирішити поточні проблеми конфіденційності блокчейну, реалізувати шифрувальні платежі, ігрові автомати та казино, при цьому зберігаючи графік транзакцій для підвищення дружелюбності до регулювання.

FHE також може покращити доступність проектів конфіденційності через пошук приватних повідомлень (OMR), дозволяючи клієнтам гаманців синхронізуватися без розкриття вмісту доступу.

Проте, FHE не може безпосередньо вирішити проблеми масштабованості блокчейну. Комбінування FHE з нульовими знаннями (ZKP) може вирішити деякі виклики масштабованості, надаючи надійний механізм обчислень для блокчейн-середовища.

Взаємозв'язок між повністю гомоморфним шифруванням та нульовими доказами

FHE та ZKP є взаємодоповнюючими технологіями, але слугують різним цілям. ZKP дозволяє верифіковані обчислення та властивості нульового знання, забезпечуючи конфіденційність приватного стану. Проте, ZKP не забезпечує конфіденційність спільного стану, що є критично важливим для платформ без дозволу для розумних контрактів. FHE та багатопартійні обчислення (MPC) можуть компенсувати цей недолік, дозволяючи виконувати обчислення над зашифрованими даними, не розкриваючи самі дані.

Якщо не потрібно для конкретних випадків, поєднання ZKP і FHE значно збільшить обчислювальну складність, що зазвичай є непрактичним.

Стан і перспективи розвитку повністю гомоморфного шифрування

Розвиток повністю гомоморфного шифрування відстає від ZKP на три-чотири роки, але швидко наздоганяє. Проекти першого покоління FHE вже почали тестування, і очікується, що основна мережа буде запущена пізніше цього року. Хоча FHE все ще має вищі обчислювальні витрати, ніж ZKP, його потенціал для масового впровадження вже проявляється. Як тільки FHE увійде в експлуатацію та масштабування, очікується, що його зростання буде таким же швидким, як у ZK Rollups.

Основні виклики

Основні виклики, з якими стикається повністю гомоморфне шифрування, включають обчислювальну ефективність і управління ключами:

1. Ефективність обчислень: операції самозапуску в повністю гомоморфному шифруванні є обчислювально інтенсивними, але прогрес в алгоритмах і інженерні оптимізації покращують цю проблему. Для певних випадків використання альтернативи без самозапуску можуть бути більш ефективними.

2. Управління ключами: деякі проекти FHE потребують управління ключами з порогом, що передбачає групу валідаторів з можливістю розшифровки. Цей підхід потребує подальшого розвитку для подолання проблеми єдиної точки відмови.

Стан ринку повністю гомоморфного шифрування

Компанії з ризикового шифрування активно інвестують у сферу FHE, визнаючи її потенціал. Деякі проекти розробляють програми на основі FHE, такі як ігрові автомати, казино, комерційні платежі та ігри тощо.

Порогове повністю гомоморфне шифрування ( TFHE ) поєднує FHE з MPC та блокчейном, відкриваючи нові сценарії застосування. Дружній до розробників FHE дозволяє програмувати на Solidity, що підвищує його практичність у розробці додатків.

Регуляторне середовище

Регуляторне середовище для технологій конфіденційності, таких як FHE, різниться в залежності від регіону. Хоча конфіденційність даних отримує широке визнання, фінансова конфіденційність залишається сірою зоною. FHE має потенціал для посилення конфіденційності даних, дозволяючи користувачам зберігати право власності на дані та, можливо, отримувати з них прибуток, водночас зберігаючи такі соціальні вигоди, як таргетована реклама.

Перспективи майбутнього

З розвитком теорії, програмного забезпечення, апаратного забезпечення та алгоритмів, повністю гомоморфне шифрування (FHE) очікується, що стане все більш практичним. Розвиток FHE переходить від теоретичних досліджень до практичних застосувань, і очікується, що в найближчі три-п’ять років буде досягнуто значного прогресу.

Підсумок

повністю гомоморфне шифрування(FHE)перебуває в ключовий момент трансформації у сфері шифрування, пропонуючи передові рішення для конфіденційності та безпеки. З розвитком технологій і увагою венчурного капіталу, FHE має потенціал для масового впровадження, вирішуючи основні проблеми масштабованості та захисту конфіденційності блокчейну. З дорослішанням технологій, FHE відкриє нові можливості для різноманітних інноваційних додатків у шифрувальному екосистемі.