Повністю гомоморфне шифрування(FHE) розвитку та застосування

повністю гомоморфне шифрування(FHE) концепція вперше виникла в 70-х роках 20 століття, але протягом тривалого часу залишалася важкодоступною. Її основна ідея полягає в тому, щоб проводити обчислення над зашифрованими даними без необхідності їх розшифровування. Спочатку можна було виконувати лише прості операції додавання або множення, що називалося частковим гомоморфним шифруванням. У 2009 році Крейг Джентрі досяг прориву, продемонструвавши можливість виконання довільних обчислень над зашифрованими даними, що відкриває шлях для розвитку повністю гомоморфного шифрування.

FHE є прогресивною технологією шифрування, яка дозволяє виконувати обчислення над зашифрованими даними без їх розшифровки. Це означає, що можна безпосередньо виконувати операції над шифротекстом і генерувати зашифровані результати, які після розшифровки збігаються з результатами виконання тих же операцій над відкритим текстом.

Основні характеристики повністю гомоморфного шифрування

Гомоморфність

• Додавання: додавання шифрованих даних еквівалентне додаванню відкритих даних.
• Множення: множення шифротексту еквівалентне множенню відкритого тексту.

Управління шумом: FHE шифрування додає шум у шифротекст для забезпечення безпеки, але після кожної операції шум збільшується. Ефективне управління та мінімізація шуму є критично важливими, щоб не вплинути на точність обчислень.

Нескінченні операції: на відміну від часткового гомоморфного шифрування (PHE) та певного гомоморфного шифрування (SHE), повністю гомоморфне шифрування (FHE) підтримує нескінченну кількість додавання та множення, дозволяючи виконувати будь-які типи обчислень над зашифрованими даними.

Суворо кажучи, FHE є особливим випадком гомоморфного шифрування. Гомоморфне шифрування означає, що операції над шифротекстом еквівалентні тим самим операціям над відкритим текстом. Слід звернути увагу на два ключові виклики:

1. Еквівалентність між відкритим текстом і зашифрованим текстом стосується додавання шуму. Якщо шум занадто великий, це може призвести до збою обчислень, тому контроль за шумом є дуже важливим.

2. Витрати на обчислення додавання і множення величезні. Обчислення на зашифрованих даних може бути дорожчим від обчислень на відкритих даних у 10,000 до 1,000,000 разів.

Гомоморфне шифрування залежно від ступеня реалізації можна поділити на:

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

Основна перевага FHE полягає в тому, що він може виконувати будь-які типи обчислень на зашифрованих даних, забезпечуючи конфіденційність і безпеку всього процесу обчислень.

Застосування повністю гомоморфного шифрування в блокчейні

FHE має потенціал стати ключовою технологією для масштабованості та захисту конфіденційності в блокчейні. На даний момент блокчейн за замовчуванням є прозорим, кожна транзакція та змінні смарт-контрактів є загальнодоступними. FHE може перетворити повністю прозорий блокчейн у частково зашифровану форму, одночасно залишаючись під контролем смарт-контрактів.

Деяка компанія розробляє віртуальну машину FHE, яка дозволяє програмістам писати код Solidity для роботи з операціями FHE. Цей підхід може вирішити проблеми конфіденційності в сучасних блокчейнах, роблячи можливими такі випадки використання, як зашифровані платежі, ігрові автомати та казино, одночасно зберігаючи графік транзакцій, що робить його більш дружнім до регуляторів.

Іншим ключовим застосуванням FHE є покращення доступності проектів конфіденційності. Деякі проекти конфіденційності стикаються зі значними проблемами доступності, такими як час отримання інформації про баланс і затримка синхронізації. FHE надає рішення через конфіденційний запит (OMR), що дозволяє клієнтам гаманців синхронізуватися без розкриття змісту доступу.

Проте, FHE не може безпосередньо вирішити проблему масштабованості блокчейну. Поєднання FHE з нульовими знаннями (ZKP) може вирішити деякі проблеми масштабованості. Перевірне FHE може забезпечити правильне виконання обчислень, надаючи надійний механізм обчислень для блокчейн-середовища.

Взаємозв'язок між FHE та нульовими доказами (ZKP)

FHE та ZKP є взаємодоповнюючими технологіями, але служать різним цілям. ZKP дозволяє верифіковані обчислення та нульові знання, забезпечуючи конфіденційність приватного стану. Проте, ZKP не забезпечує конфіденційність спільного стану, що є критично важливим для бездозвільних платформ розумних контрактів. FHE та багатопартійні обчислення (MPC) дозволяють виконувати обчислення над зашифрованими даними без їх розкриття.

Комбінація ZKP та FHE суттєво збільшить обчислювальну складність, якщо не потрібні конкретні випадки використання, інакше це не надто практично.

Стан та перспективи повністю гомоморфного шифрування

FHE відстає в розвитку від ZKP приблизно на 3-4 роки, але швидко наздоганяє. Проекти першого покоління FHE вже почали тестування, основна мережа очікується пізніше цього року. Незважаючи на те, що обчислювальні витрати FHE все ще вищі, ніж у ZKP, його потенціал для масового застосування величезний. Як тільки FHE увійде в виробництво та масштабується, очікується, що він зросте так само швидко, як ZK Rollups.

Виклики та перешкоди

Застосування повністю гомоморфного шифрування стикається з викликами, такими як обчислювальна ефективність та управління ключами. Обчислення операцій самозавантаження в FHE є ресурсомісткими, але прогрес в алгоритмах та інженерні оптимізації покращують цю проблему. Для специфічних випадків використання, таких як машинне навчання, альтернативи без самозавантаження можуть бути більш ефективними.

Управління ключами також є великою проблемою. Деякі проекти FHE потребують порогового управління ключами, що передбачає групу перевіряючих з можливістю розшифрування. Цей підхід потребує подальшого розвитку для подолання проблеми єдиної точки відмови.

Стан ринку повністю гомоморфного шифрування

Деякі венчурні компанії з шифрування активно інвестують у сферу FHE, вважаючи її перспективною. Вже є проекти, які розробляють з партнерами застосування, такі як ігрові автомати, казино, комерційні платежі та ігри.

Порогове повністю гомоморфне шифрування ( TFHE ) поєднує повністю гомоморфне шифрування з MPC та блокчейном, що особливо перспективно і відкриває нові сценарії застосування. Дружелюбність розробників FHE дозволяє програмувати за допомогою Solidity, що робить його практичним і здійсненним у розробці додатків.

Конкурентна структура

Багато компаній змагаються в сфері повністю гомоморфного шифрування:

• Деяка компанія спеціалізується на апаратному прискоренні для генерації та перевірки нульових знань в реальному часі.
• Інша компанія розробляє рішення FHE для блокчейну та ШІ.
• Є компанії, які допомагають інженерам використовувати FHE для створення та впровадження приватних застосунків.
• Деякі проєкти розробляють блокчейн-мережі, що підтримують повністю гомоморфне шифрування.
• Є компанії, які розробляють шар повторного заставлення FHE для DePIN та ШІ.

Ці компанії отримали підтримку венчурного капіталу, що свідчить про довіру ринку до технології FHE.

Регуляторне середовище

Регуляторне середовище для технологій конфіденційності, таких як FHE, різниться в різних регіонах. Хоча конфіденційність даних має широкий рівень підтримки, фінансова конфіденційність все ще 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 соціальну користь.

Висновок

повністю гомоморфне шифрування(FHE)перебуває на передовій зміні в галузі шифрування, надаючи передові рішення для забезпечення конфіденційності та безпеки. В міру розвитку технологій та залучення капіталу, FHE має потенціал для масового впровадження, вирішуючи ключові проблеми масштабованості блокчейну та захисту конфіденційності. Протягом наступних 3-5 років, FHE очікується, що досягне значного прогресу, приносячи інноваційні застосування в екосистему шифрування.