Полная гомоморфная криптография (FHE) долгое время считалась коронной драгоценностью криптографии. 20 июля 2020 года Виталик Бутерин в блоге подчеркнул её важность. Недавно, 5 мая 2023 года, Виталик вновь разжег интерес к FHE, поделившись статьей «Исследование полной гомоморфной криптографии» в X, отметив, что «многие люди интересуются FHE».

Этот растущий интерес также отражается в области криптоинвестиций. В марте 2023 года компания FHE Zama объявила о завершении раунда финансирования A на сумму 73 миллиона долларов, возглавляемого Multicoin и Protocol Labs, что привлекло значительное внимание рынка. >

Что такое FHE

Полная гомоморфная криптография (FHE) впервые обсуждалась в 70-х годах XX века, но долгое время оставалась труднодостижимой. Основная идея заключается в том, чтобы зашифровать данные и выполнять над ними вычисления без расшифровки. Изначально можно было выполнять только простые операции над зашифрованными данными, такие как сложение или умножение, что называется частичной гомоморфной криптографией. Прорыв произошел в 2009 году, когда Крейг Джентри продемонстрировал возможность выполнения любых вычислений над зашифрованными данными, что привело к развитию полной гомоморфной криптографии.

FHE — это продвинутая форма криптографии, позволяющая выполнять вычисления над зашифрованными данными без необходимости предварительной расшифровки. Это означает, что можно выполнять операции над шифротекстом (зашифрованными данными), чтобы получить зашифрованный результат, который при расшифровке будет совпадать с результатом операций над открытым текстом (незашифрованными данными). >

Ключевые характеристики полной гомоморфной криптографии

Гомоморфность

• Сложение: операция сложения над шифротекстом эквивалентна операции сложения над открытым текстом.

𝐸(𝑎+𝑏)=𝐸(𝑎)+𝐸(𝑏)

• Умножение: операция умножения над шифротекстом эквивалентна операции умножения над открытым текстом.

𝐸(𝑎×𝑏)=𝐸(𝑎)×𝐸(𝑏)

• Управление шумом: при использовании FHE для шифрования данных в шифротекст добавляется шум для обеспечения безопасности. Однако после каждой операции этот шум увеличивается. Управление и минимизация шума крайне важны, так как если шум становится слишком большим, вычисления могут стать неточными или завершиться неудачей.

• Неограниченные операции: в отличие от частичной гомоморфной криптографии (PHE), которая поддерживает только одну операцию (сложение или умножение) и ограниченное количество операций, FHE поддерживает неограниченное количество сложений и умножений. Это позволяет выполнять любые вычисления над зашифрованными данными.

Строго говоря, полная гомоморфная криптография является частным случаем гомоморфной криптографии. Гомоморфная криптография означает, что операции сложения или умножения над шифротекстом эквивалентны тем же операциям над открытым текстом, то есть:

𝐸(𝑎+𝑏)=𝐸(𝑎)+𝐸(𝑏)

𝐸(𝑎×𝑏)=𝐸(𝑎)×𝐸(𝑏)

В этом контексте a и E(a), b и E(b) могут считаться эквивалентными. Однако необходимо учитывать два важных вызова:

• Эквивалентность между открытым текстом и шифротекстом включает добавление некоторого шума к открытому тексту перед выполнением операций для получения шифротекста. Если шум приводит к значительным отклонениям, вычисления могут завершиться неудачей. Поэтому контроль за шумом имеет решающее значение для различных алгоритмов.

• Расходы на сложение и умножение огромны. Вычисления над шифротекстом могут быть в 10,000 до 1,000,000 раз дороже, чем вычисления над открытым текстом. Полная гомоморфная криптография реализуется только тогда, когда можно выполнять неограниченное количество сложений и умножений над шифротекстом.

Разные типы гомоморфной криптографии имеют уникальную ценность в своих областях и могут быть классифицированы следующим образом в зависимости от степени их реализации:

• Типы гомоморфной криптографии частичная гомоморфная криптография (PHE): поддерживает одну операцию (сложение или умножение) неограниченное количество раз. Например, RSA является частично гомоморфным в отношении умножения.

• Некоторая гомоморфная криптография (SHE): поддерживает сложение и умножение, но количество операций ограничено. Это полезно для специфических приложений, требующих лишь небольшого количества операций.

• Полная гомоморфная криптография (FHE): поддерживает неограниченное количество сложений и умножений, позволяя выполнять любые вычисления над зашифрованными данными. Это делает FHE чрезвычайно мощным, но также и вычислительно затратным.

Основное преимущество FHE заключается в возможности выполнять любые вычисления над зашифрованными данными, обеспечивая конфиденциальность и безопасность на протяжении всего процесса вычислений. >

Применение FHE в блокчейне

Виталик отметил, что FHE может стать ключевой технологией для масштабируемости и защиты конфиденциальности блокчейна. В настоящее время блокчейны по умолчанию являются прозрачными, каждая транзакция и переменные смарт-контрактов являются общедоступными. FHE может преобразовать полностью прозрачный блокчейн в частично зашифрованную форму, оставаясь под контролем смарт-контрактов.

Например, Zama разрабатывает виртуальную машину FHE, позволяющую программистам писать код Solidity для работы с примитивами FHE. Этот подход может решить проблемы конфиденциальности, существующие на современных блокчейнах, сделав возможными такие случаи использования, как зашифрованные платежи, игровые автоматы и казино, при этом сохраняя граф транзакций, что делает его более удобным для регулирования по сравнению с такими решениями, как Tornado Cash.

Еще одно ключевое применение FHE — улучшение доступности проектов конфиденциальности. Проекты, такие как Zcash, Aztec и Tornado Cash, сталкиваются с серьезными проблемами доступности, такими как длительное время извлечения информации о балансе и задержки синхронизации. FHE предлагает решение через извлечение конфиденциальных сообщений (OMR), позволяя клиентам кошельков синхронизироваться без раскрытия содержимого доступа.

Тем не менее, FHE не может напрямую решить проблемы масштабируемости блокчейна, такие как технологии Rollup. Сочетание FHE с доказательствами с нулевым разглашением (ZKP) может помочь решить некоторые проблемы масштабируемости. Проверяемая FHE может гарантировать, что вычисления выполняются правильно, аналогично ZK Rollups, предоставляя надежный механизм вычислений для блокчейн-среды. >

Связь между FHE и доказательствами с нулевым разглашением (ZKP)

FHE и ZKP являются взаимодополняющими технологиями, но служат разным целям. ZKP позволяет выполнять проверяемые вычисления и обладает свойствами нулевого разглашения, обеспечивая конфиденциальность для частных состояний. Однако ZKP не обеспечивает конфиденциальность для совместных состояний, что критически важно для таких платформ, как Uniswap, работающих со смарт-контрактами без разрешений. В этом случае FHE и многопартитные вычисления (MPC) играют свою роль, позволяя выполнять вычисления над зашифрованными данными без раскрытия самих данных.

Сочетание ZKP и FHE значительно увеличивает вычислительную сложность и, если только конкретный случай не требует этого, является непрактичным.

>

Текущая стадия FHE и перспективы будущего

FHE отстает в разработке примерно на три-четыре года от ZKP, но быстро догоняет. Проекты первого поколения FHE запускают тестовые сети, а основная сеть ожидается в конце этого года. Несмотря на то, что FHE все еще имеет более высокие вычислительные затраты по сравнению с ZKP, потенциал его массового внедрения становится все более очевидным. Как только FHE будет внедрена в производство и масштабирована, ожидается, что она вырастет так же быстро, как ZK Rollups.

Вызовы и узкие места

Принятие FHE сталкивается с несколькими вызовами, включая вычислительную эффективность и управление ключами. Вычисления, связанные с операциями самозагрузки в FHE, являются вычислительно затратными, но с развитием алгоритмов и оптимизацией инженерии ситуация улучшается. Для специфических случаев использования, таких как машинное обучение (ML), альтернативы, не использующие операции самозагрузки, могут быть более эффективными.

Управление ключами также представляет собой проблему. Проекты, такие как fhEVM от Zama, Inco или Phoenix, требуют управления ключами с порогом, что включает группу валидаторов с возможностью расшифровки. Этот подход требует дальнейшего развития для преодоления проблем с единой точкой отказа.

Случаи использования:

>

Текущее состояние рынка FHE

Криптоинвестиционные компании, такие как 1kx, активно инвестируют в область FHE, осознавая её потенциал. 1kx возглавила инвестиции в проект Inco, построенный на основе Zama, сосредоточенный на случаях использования fhEVM. Inco работает с партнерами над разработкой приложений, таких как игровые автоматы, казино, коммерческие платежи и игры.

Пороговая FHE (TFHE) сочетает FHE с MPC и блокчейном, открывая новые возможности. Дружественность FHE к разработчикам, позволяющая программировать на Solidity, делает её практичной и осуществимой в разработке приложений. >

Конкуренция

Arcium (ранее Elusiv)

Arcium — это сеть DePIN на Solana для параллельных конфиденциальных вычислений. Основана Янником Шраде, Юлианом Дешлером, Николасом Шапелером и Лукасом Штайнером, 8 мая 2024 года переименована из основанного на zk согласованного протокола конфиденциальности Elusiv в Arcium.

Arcium поддерживает разработчиков и приложения в DeFi, DePIN, AI и других областях, предоставляя гибкие, бездоверительные, проверяемые и высокопроизводительные возможности конфиденциальных вычислений через уровень DA и уровень консенсуса базового блокчейна. Это не блокчейн, но позволяет разработчикам развертывать конфиденциальные смарт-контракты на различных блокчейнах, а также предоставляет возможность настраивать модели доверия уровня блокчейна по запросу для пользователей, не использующих блокчейн.

В мае 2024 года Arcium завершила раунд стратегического финансирования на сумму 5,5 миллиона долларов, возглавляемый Greenfield Capital, с участием Coinbase Ventures, Heartcore Capital, Longhash VC, L2 Iterative Ventures, Stake Facilities, Smape Capital, Everstake, соучредителя Solana Анатолия Яковенко и соучредителя Monad Кеона Хана.

Cysic

Cysic — это компания, сосредоточенная на аппаратном ускорении генерации и проверки доказательств с нулевым разглашением (ZK) в реальном времени. Они предлагают ZK вычисления как услугу (ZK-CaaS) на основе специализированных ASIC, FPGA и GPU чипов. Cysic разработала аппаратное обеспечение FPGA и планирует выпустить чипы/устройства ZK DePIN под названиями ZK Air и ZK Pro, которые станут частью сети Prover DePIN.

В феврале 2023 года Cysic завершила раунд посевного финансирования на сумму 6 миллионов долларов, возглавляемый Polychain Capital, с участием HashKey, SNZ Holding, ABCDE, A&T Capital и Web3.com Foundation.

Zama

Zama — это компания с открытым исходным кодом в области криптографии, разрабатывающая решения FHE для блокчейна и AI. Основана в начале 2020 года Хинди и известным криптографом, одним из изобретателей FHE Паскалем Пайлье, Zama предлагает решения FHE для проектов Web3, такие как библиотека TFHE-re, компилятор TFHE Concrete, защищенное машинное обучение Concrete ML и конфиденциальные смарт-контракты fhEVM.

Zama сосредоточена на TFHE (пороговая полная гомоморфная криптография), реализованной на чистом Rust, для шифрования булевых и целочисленных вычислений, позволяя разработчикам и исследователям осуществлять тонкую настройку TFHE для достижения расширенных функций. fhEVM интегрирует TFHE-re в EVM, позволяя выполнять гомоморфные операции в качестве предварительно скомпилированных контрактов без изменения инструментов компиляции.

7 марта 2024 года Zama завершила раунд финансирования A на сумму 73 миллиона долларов, возглавляемый Multicoin Capital и Protocol Labs, с участием Metaplanet, Blockchange Ventures, Vsquared Ventures, Stake Capital, основателя Filecoin Хуана Бенета, соучредителя Solana Анатолия Яковенко и соучредителя Ethereum Гэвина Вуда. Средства будут использованы для продолжения исследований и разработки их инструментов FHE.

Sunscreen

Sunscreen — это стартап в области конфиденциальности, помогающий инженерам использовать криптографические технологии, такие как FHE, для создания и развертывания частных приложений. Они открыли исходный код компилятора FHE, нативного компилятора Web3, который преобразует стандартные функции Rust в эквивалентные частные функции FHE, обеспечивая оптимальную производительность арифметических операций без аппаратного ускорения. Компилятор также поддерживает схему FHE BFV и разрабатывает компилятор, совместимый с ZKP, чтобы обеспечить целостность вычислений при сочетании с FHE.

В июле 2022 года Sunscreen завершила раунд посевного финансирования на сумму 4,65 миллиона долларов, возглавляемый Polychain Capital, с участием Northzone, Coinbase Ventures, dao5 и таких индивидуумов, как Навал Равикан, Такс Пэсифик.

Octra

Octra — это блокчейн-сеть FHE, поддерживающая изолированные среды выполнения, предлагающая новый тип FHE, называемый HFHE (гомоморфная полная гомоморфная криптография), работающий на гиперграфах. Согласно официальной документации, HFHE может быть совместим с любым проектом и работать независимо. Большая часть кодовой базы Octra разработана на OCaml, AST, ReasonML (для смарт-контрактов и приложений, взаимодействующих с Octra) и C++. Этот подход относительно новый, академические обсуждения ограничены. Безопасность решения еще не проверена и требует дальнейшей верификации.

Fhenix

Fhenix — это уровень 2 (L2) Ethereum, поддерживаемый FHE Rollups и FHE Coprocessors, полностью совместимый с EVM и Solidity, использующий FHE для реализации конфиденциальных смарт-контрактов на цепочке. Fhenix не использует zkFHE, а применяет Optimistic Rollup и FHE от Zama, обеспечивая конфиденциальность на цепочке через fhEVM, сосредоточив внимание на TFHE (пороговая FHE).

В сентябре 2023 года Fhenix завершила раунд посевного финансирования на сумму 7 миллионов долларов, возглавляемый Sora Ventures, Multicoin Capital и Collider Ventures, с участием Node Capital, Bankless, HackVC, TaneLabs и Metaplanet. Публичная тестовая сеть будет запущена в начале 2024 года, поддерживая разработку приложений для экосистемы.

Mind Network

Mind Network — это уровень повторного залога FHE для DePIN и AI, поддерживаемый Zama, направленный на реализацию «HTTPZ» (конфиденциальный интернет от конца до конца). Продукты включают схему повторного залога FHE MindLayer, протокол невидимых адресов MindSAP с авторизацией FHE, а также FHE DataLake MindLake, построенный через сеть верификации FHE MindLayer. Пользователи могут повторно заложить токены BTC и ETH LST в Mind Network, привнося верификаторов с улучшенной FHE, обеспечивая шифрование от конца до конца в процессе верификации и вычислений AI и DePIN. Умный механизм консенсуса PoI (Proof of Intelligence) для задач машинного обучения AI обеспечивает справедливое и безопасное распределение между верификаторами FHE. Вычисления FHE могут быть аппаратно ускорены. MindLake — это хранилище данных для вычислений с зашифрованными данными на цепочке.

В июне 2023 года Mind Network завершила раунд посевного финансирования на сумму 2,5 миллиона долларов, с участием Binance Labs, Comma3 Ventures, SevenX Ventures, HashKey Capital, Big Brain Holdings, Arweave SCP Ventures, Mandala Capital и других.

Inco

Inco Network — это модульный уровень 1 блокчейна конфиденциальных вычислений и универсальный уровень конфиденциальности Web3, обеспечивающий защиту конфиденциальности для приложений на цепочке. Он сочетает Ethereum EVM и FHE, защищенный EigenLayer, позволяя программам выполнять операции и вычисления над зашифрованными данными без расшифровки, используя локальную случайность на цепочке. Inco запустила тестовую сеть Gentry, решая проблемы защиты конфиденциальности Web3 и поддерживая такие приложения, как игры, DeFi (включая черные рынки, частное кредитование и слепые аукционы), корпоративные решения (такие как конфиденциальные стабильные монеты, частные RWA и частное голосование).

В феврале 2024 года Inco Network завершила раунд посевного финансирования на сумму 4,5 миллиона долларов, возглавляемый 1kx, с участием Circle Ventures, Robot Ventures, Portal VC, Alliance DAO, Big Brain Holdings, Symbolic, GSR, Polygon Ventures, Daedalus, Matter Labs и Fenbushi. >

Регуляторная среда для технологий конфиденциальности, таких как FHE

В разных регионах она различается. Несмотря на то, что конфиденциальность данных широко поддерживается, финансовая конфиденциальность остается серой зоной. FHE имеет потенциал для усиления конфиденциальности данных, позволяя пользователям сохранять право собственности на данные и, возможно, извлекать из них выгоду, одновременно сохраняя такие социальные выгоды, как таргетированная реклама.

Смотрим в будущее, постепенное улучшение теории, программного обеспечения, аппаратного обеспечения и алгоритмов, вероятно, сделает FHE все более практичной. Разработка FHE в настоящее время переходит от теоретических исследований к практическому применению, и ожидается, что в течение следующих трех-четырех лет произойдут значительные успехи. >

Заключение

Полная гомоморфная криптография (FHE) находится на грани революционных изменений в области криптографии, предлагая передовые решения для конфиденциальности и безопасности. С продолжающимся прогрессом и растущим интересом со стороны венчурного капитала FHE имеет потенциал для массового внедрения, решая ключевые проблемы масштабируемости и защиты конфиденциальности блокчейна. С развитием технологий она обещает открыть новые возможности и способствовать инновациям в различных приложениях криптоэкосистемы.