إثبات المعرفة الصفرية: التفسير الكامل من حماية الخصوصية إلى توسيع نطاق البلوكشين

لماذا تحتاج إلى فهم إثباتات المعرفة الصفرية؟

في عصر Web3، لطالما كانت هناك تناقضات جوهرية تؤرق الجميع: كيف تبني الثقة مع حماية الخصوصية في الوقت ذاته؟

في الإنترنت التقليدي، كلما قمت بتسجيل الدخول إلى موقع ويب، يحتاج النظام إلى التحقق من هويتك — لكن هذا يعني أنه يتعين عليك تقديم معلومات حقيقية. البنك يحتاج رقم هويتك، والمنصة تحتاج معلومات KYC الخاصة بك، ومنصات التواصل الاجتماعي تحتاج بيانات موقعك. تُخزن هذه البيانات مركزيًا على خوادم شركة معينة، وإذا حدث تسرب للبيانات، تتلاشى الخصوصية الشخصية تمامًا.

تعد blockchain باللامركزية والشفافية، لكن المعاملات على الشبكة العامة علنية تمامًا — كل تحويل تقوم به يُسجل، يُتبع، ويُربط. هذا “الانفتاح” هو في الواقع أيضًا نوع من أزمة الخصوصية.

تقنية إثبات المعرفة الصفرية وُجدت لحل هذا التناقض. فهي تتيح لك، دون الكشف عن أي معلومات محددة، أن تثبت للطرف الآخر “أنني أمتلك شيئًا معينًا” أو “أنا أعرف إجابة معينة”. هذا ليس مفهومًا خياليًا — ففي عام 1985، وصف عالم التشفير في MIT، شافي جولدواسر، وسيلفيو ميكالّي، هذه الفكرة في ورقة بحثية.

ما هو إثبات المعرفة الصفرية حقًا؟

ببساطة، يشير إثبات المعرفة الصفرية(Zero-Knowledge Proof) إلى قدرة طرف (المُثبت) على إثبات صحة شيء معين لطرف آخر (المُصدّق)، دون الحاجة إلى الكشف عن أي معلومات محددة تتعلق بهذا الشيء.

كمثال حياتي: إذا أردت إثبات أنني طباخ جيد، لكن لا أريد أن يرى أصدقاؤك “ميدان المعركة” في المطبخ. يمكنك أن تدخل المطبخ بمفردك، تغلق الباب، وبعد ساعتين تخرج مائدة من الطعام المُعد بعناية. بعد تذوق الأصدقاء، يمكنهم أن يقتنعوا أنك فعلاً تجيد الطهي — هم يرون النتيجة، وليس العملية، ولا يعرفون المكونات أو التوابل التي استخدمتها. هذه هي المنطق الأساسي لإثبات المعرفة الصفرية.

بلغة تقنية أكثر: إثبات المعرفة الصفرية هو بروتوكول تشفير يسمح لطرف (المُثبت) بإثبات صحة بيان معين لطرف آخر (المُصدّق)، دون الكشف عن أي بيانات أخرى. يتم ذلك عبر عمليات رياضية معقدة وآليات تشفير تضمن أن المُصدّق يمكنه التحقق من صحة المعلومات، دون أن يتمكن من استنتاج البيانات الأصلية.

الخصائص الأساسية الثلاثة لإثبات المعرفة الصفرية

أي نظام إثبات معرفة صفرية فعال يجب أن يحقق ثلاثة شروط في آن واحد:

الاكتمال (Completeness): إذا كان البيان صحيحًا، فإن المُثبت الصادق يمكنه إقناع المُصدّق الصادق. بمعنى آخر، الصدق دائمًا يمكن إثباته.

الصلابة (Soundness): إذا كان البيان خاطئًا، فمن المستحيل تقريبًا أن يخدع المُثبت غير الصادق المُصدّق الصادق. المحتالون سيظهرون عيوبًا خلال عملية التحقق.

الخصائص الصفرية (Zero-Knowledge): خلال عملية التحقق، لا يتعلم المُصدّق سوى أن البيان صحيح، ولا يكتسب أي معلومات إضافية. لا يمكن للمُصدّق أن يستخلص أي بيانات أخرى من التفاعل.

التفاعل مقابل غير التفاعل: طريقتان مختلفتان للإثبات

حسب طريقة تفاعل الطرفين خلال عملية الإثبات، يُقسم إثبات المعرفة الصفرية إلى نوعين رئيسيين.

إثبات المعرفة الصفرية التفاعلي

في هذا الأسلوب، يحتاج المُثبت والمُصدّق إلى التفاعل عدة مرات. يُطرح المُصدّق تحديات عشوائية، ويجيب المُثبت عليها واحدًا تلو الآخر، حتى يقتنع المُصدّق.

مثال كلاسيكي هو “لعبة العمى اللوني”: أليس، الذي يعاني من عمى الألوان، وبوب يحمل كرتين — واحدة زرقاء والأخرى حمراء. يحتاج أليس إلى إثبات أن الكرتين فعلاً مختلفتي اللون.

السيناريو: يضع أليس الكرتين خلف ظهره، ويبدلهما عشوائيًا، ثم يسأل بوب “هل قمت بالتبديل؟”. إذا كان بوب يرى الألوان، فسيجيب بشكل صحيح في كل مرة. في الجولة الأولى، احتمالية أن يخدع بوب هي 50%، وفي الثانية 25%، وفي الثالثة 12.5%… بعد n جولات، احتمالية أن يجيب بشكل صحيح تصل إلى 1-(1/2)^n، وبذلك يقتنع أليس أن بوب يقول الحقيقة.

عيوب الإثبات التفاعلي واضحة:

• يتطلب تكرار العملية في كل مرة للتحقق
• يتطلب وجود الطرفين متصلين في الوقت ذاته
• يمكن الاعتماد عليه لمُصدّق واحد فقط، وإذا كان هناك عدة مُصدّقين، فسيحتاج الأمر إلى تكرار العملية لكل منهم

إثبات المعرفة الصفرية غير التفاعلي

لتجاوز قيود التفاعل، اقترح مانويل بلوم، بول فليدم، وسيلفيو ميكالّي، إثبات المعرفة الصفرية غير التفاعلي. في هذا النموذج، يُنتج المُثبت إثباتًا مرة واحدة، ويمكن لأي شخص (بوجود خوارزمية التحقق ومفتاح مشترك) التحقق منه، دون الحاجة إلى تفاعل متكرر.

مثال مجازي هو “لعبة السودوكو”: أليس حلّ لغز سودوكو، ويريد أن يثبت لبوب أنه حلّه بشكل صحيح، دون أن يكشف عن الحل. يستخدم آلة “مقاومة للتلاعب”:

• يضع السؤال والحل داخل الآلة
• تقوم الآلة بخلط الأرقام في كل صف وعمود وكل منطقة 3x3، وتضعها في 27 كيسًا
• يفحص بوب هذه الأكياس، وإذا كانت كل منها تحتوي على الأرقام 1-9 بدون تكرار، فذلك يثبت أن أليس حلّ اللغز بشكل صحيح
• المهم: بوب لا يرى الحل نفسه، بل يرى النتائج الممزوجة

إثبات غير تفاعلي أكثر كفاءة، لكنه يتطلب آليات إضافية (مثل مفاتيح مشتركة أو أجهزة خاصة) لضمان سرية التحقق.

التطبيقات الأربعة الكبرى لإثبات المعرفة الصفرية في الواقع

1. المدفوعات المجهولة والمعاملات الخصوصية

المعاملات على الشبكة العامة علنية بطبيعتها. تستخدم عملات مثل Zcash و Monero، التي تعتمد على إثباتات المعرفة الصفرية لإخفاء مرسِل المعاملة، والمستلم، والمبلغ، والطابع الزمني.

على إيثريوم، يُستخدم Tornado Cash — وهو خدمة دمج لامركزية، تتيح للمستخدمين إجراء معاملات خاصة على إيثريوم. يودع المستخدم أمواله، ويثبت عبر إثبات معرفة صفرية أن لديه الحق في السحب، لكن عنوان السحب غير مرتبط بعنوان الإيداع. هذا يحافظ على شفافية وأمان الشبكة، مع حماية الخصوصية الشخصية.

2. التحقق من الهوية والتحكم في الوصول

التحقق التقليدي من الهوية يتطلب تقديم الاسم، البريد الإلكتروني، تاريخ الميلاد، وغيرها من المعلومات الشخصية. يمكن لإثبات المعرفة الصفرية أن يثبت فقط خاصية معينة من الهوية، دون الكشف عن المعلومات الكاملة.

مثلاً، موقع ويب يحتاج فقط إلى التحقق من “هل أنت بالغ” دون أن يطلع على بطاقة هويتك أو سنة ميلادك. تستخدم إثبات معرفة صفرية لإنشاء إثبات “أنني أبلغ من العمر 18 عامًا”، وترسله، ويتم التحقق منه. أو منصة تتطلب إثبات “أنك عضو في المنصة”، دون الحاجة لمعرفة رقم عضويتك أو بياناتك الشخصية.

3. الحسابات القابلة للتحقق

عندما تكون العمليات الحسابية معقدة أو مكلفة، قد يوكّل المستخدمون طرفًا ثالثًا للقيام بالحسابات (مثل خدمات أوثريوم التنبؤية). لكن كيف يضمنون أن النتيجة صحيحة، وليس مجرد تزوير؟

تسمح إثباتات المعرفة الصفرية لمزودي خدمات الحسابات بتقديم “إثبات صحة الحساب”. يمكن للمستخدمين التحقق بسرعة من هذا الإثبات، والتأكد من أن النتيجة موثوقة، دون الحاجة لإعادة الحساب أو الاطلاع على التفاصيل الوسيطة.

4. التصويت المجهول والحكم

في DAO أو الحوكمة اللامركزية، يملك كل حامل للعملة حق التصويت، لكن يجب أن يبقى محتوى التصويت سريًا. يمكن لإثبات المعرفة الصفرية أن يثبت أن “المصوت يملك حق التصويت”، مع إخفاء هوية المصوت ونية التصويت.

التنفيذ التقني: zk-SNARKs مقابل zk-STARKs

حاليًا، هناك نوعان رئيسيان من تقنيات إثبات المعرفة الصفرية، ولكل منهما مزايا وعيوب.

zk-SNARK (الحجة المختصرة غير التفاعلية والمعرفة الصفرية)

اختصار لـ “zero-knowledge succinct non-interactive argument of knowledge”. يستخدم هذا الحل التشفير على منحنيات إهليلجية، ويُنتج إثباتات صغيرة وسريعة التحقق.

المزايا الأساسية:

• تكلفة التحقق منخفضة (استهلاك غاز قليل)
• حجم الإثبات صغير، يسهل نقله وتخزينه
• تم استخدامه على نطاق واسع في بيئات الإنتاج

التطبيقات الرئيسية: Zcash، Loopring، zkSync 1.0/2.0، Zigzag، Mina وغيرها.

القيود:

• يتطلب “إعداد موثوق” (trusted setup)، بمعنى أن المشاركين يجب أن يثقوا في أن المعطيات الأولية أُنشئت بشكل نزيه
• عرضة للهجمات بواسطة الحوسبة الكمومية (نظرًا لاعتماده على التوقيعات الرقمية على منحنيات إهليلجية)
• يتطلب حسابات عالية أثناء إنشاء الإثبات

zk-STARK (إثبات المعرفة الصفرية القابل للتوسع والشفاف)

اختصار لـ “zero-knowledge scalable transparent argument of knowledge”. يختلف عن SNARK، حيث يستخدم دوال هاش مقاومة للتصادم، ولا يحتاج إلى إعداد موثوق.

المزايا الأساسية:

• لا يتطلب إعداد موثوق، أكثر شفافية وأمانًا
• أسرع في إنشاء الإثبات وأسهل في التوسع
• مقاوم للهجمات الكمومية (نظرًا لاعتماده على دوال هاش)
• حجم الإثبات مناسب

التطبيقات الرئيسية: StarkEx، StarkNet، Immutable X وغيرها من مشاريع StarkWare.

القيود:

• تكلفة التحقق أعلى (على إيثريوم، استهلاك غاز أكبر من SNARK)
• حجم الإثبات أكبر نسبيًا
• لا يزال في مرحلة التطوير، والخبرة العملية تتراكم

كيف تساهم إثباتات المعرفة الصفرية في توسيع شبكة البلوكشين

في حلول الطبقة الثانية، يُعد zk-rollup وسيلة قوية للتوسع. مبدأ العمل:

1. حزم مئات أو آلاف المعاملات معًا
2. تنفذ على السلسلة الخارجية
3. تولد إثبات معرفة صفرية يُثبت أن “جميع هذه المعاملات أُجريت بشكل صحيح”
4. يُقدم حزمة المعاملات والإثبات إلى شبكة إيثريوم الرئيسية
5. تتحقق الشبكة الرئيسية من الإثبات (فقط من خلال التحقق الرياضي، دون إعادة تنفيذ جميع المعاملات)

النتيجة: زيادة كبيرة في قدرة المعاملات (تصل إلى أكثر من 100 ضعف الشبكة الرئيسية)، وانخفاض كبير في الرسوم، مع الحفاظ على أمان الشبكة الأصلية.

التحديات الأربعة الكبرى في تقنية إثبات المعرفة الصفرية

تكاليف الأجهزة

إنشاء إثباتات المعرفة الصفرية يتطلب عمليات رياضية معقدة — خاصة عمليات الضرب متعدد الأبعاد (MSM) وتحويل فورييه السريع (FFT). في بعض الأنظمة، يُخصص 70% من وقت الحساب لـ MSM و30% لـ FFT.

لا يمكن الاعتماد فقط على المعالجات المركزية (CPU)، ويُفضل التسريع عبر الأجهزة. يُعتبر FPGA (مصفوفة البوابات القابلة للبرمجة ميدانيًا) الخيار الأمثل — أرخص بثلاث مرات من GPU، وأكثر كفاءة بعشرة أضعاف. لكن FPGA يتطلب استثمارًا رأسماليًا كبيرًا.

تكاليف التحقق

التحقق من إثباتات المعرفة الصفرية على إيثريوم يكلف حوالي 500,000 غاز للتحقق من إثبات zk-SNARK واحد. تكلفة zk-STARK أعلى. هذه التكاليف تُنقل في النهاية إلى المستخدمين، وتصبح جزءًا من تكلفة الاستخدام.

افتراضات الثقة

يعتمد zk-SNARK على “إعداد موثوق” — يتطلب أن يُنشئ طرف واحد المعطيات الأولية، ويجب أن يثق الآخرون أن هذه المعطيات لم تُعدّل. إذا قام أحدهم بالغش أثناء الإعداد، فسيتم كسر النظام.

أما zk-STARK، فلا يعتمد على ذلك، لكنه يتطلب تكاليف أعلى في الإنشاء والتحقق.

تهديد الحوسبة الكمومية

يعتمد zk-SNARK على التشفير على منحنيات إهليلجية، والتي قد تصبح غير آمنة أمام حواسيب كمومية قوية. zk-STARK يستخدم دوال هاش مقاومة للتصادم، مما يجعله أكثر مقاومة للتهديدات الكمومية، وهو أحد الدوافع الرئيسية لتطويره.

مستقبل إثباتات المعرفة الصفرية

تقنية إثبات المعرفة الصفرية تتجه من النظرية إلى التطبيق. في البنية التحتية لـ Web3، أصبحت أداة أساسية لحماية الخصوصية وتوسيع الشبكات.

بالنسبة للمطورين، فإن أهمية تقنية zk تكمن في: الاستفادة من أمان الشبكة العامة مثل إيثريوم، وتقديم أداء قريب من Web2، مع حماية خصوصية المستخدمين. هذا “ثلاثي الربح” يجذب المزيد من المشاريع للاستكشاف.

لكن التحديات التقنية لا تزال قائمة — تكاليف الأجهزة، التكاليف التحقق، نماذج الثقة، والتهديدات الكمومية، كلها مشاكل تحتاج إلى حل. مع تقدم تقنيات التسريع عبر الأجهزة وتحسين الخوارزميات، ستُحل هذه العقبات تدريجيًا. من المحتمل أن تصبح إثباتات المعرفة الصفرية الركيزة الأساسية للجيل القادم من شبكات البلوكشين.

دروس Web3 مستمرة، وتحليل عميق للتقنيات الأساسية.