Mã hóa đồng cấu hoàn toàn ( FHE ) phát triển và ứng dụng

Khái niệm mã hóa đồng cấu hoàn toàn ( FHE ) có thể được truy nguyên từ những năm 1970, nhưng đã lâu nay vẫn khó thực hiện. Ý tưởng cốt lõi là thực hiện tính toán trên dữ liệu đã mã hóa mà không cần giải mã. Ban đầu chỉ có thể thực hiện các phép cộng hoặc phép nhân đơn giản, được gọi là mã hóa đồng cấu một phần. Năm 2009, Craig Gentry đã đạt được những bước tiến đột phá, cho thấy có thể thực hiện bất kỳ phép tính nào trên dữ liệu đã mã hóa, từ đó mở ra sự phát triển của mã hóa đồng cấu hoàn toàn.

FHE là một công nghệ mã hóa tiên tiến, cho phép thực hiện tính toán trên dữ liệu mã hóa mà không cần giải mã. Điều này có nghĩa là có thể thao tác trực tiếp trên bản mã và tạo ra kết quả mã hóa, sau khi giải mã, kết quả này sẽ giống với kết quả của việc thực hiện cùng một thao tác trên bản rõ.

Các đặc tính cốt lõi của FHE

Tính đồng cấu

• Phép cộng: Thực hiện phép cộng trên bản mã tương đương với thực hiện phép cộng trên bản rõ.
• Phép nhân: thực hiện phép nhân trên bản mã tương đương với thực hiện phép nhân trên bản rõ.

Quản lý tiếng ồn: Mã hóa đồng cấu hoàn toàn (FHE) sẽ thêm tiếng ồn vào văn bản mã hóa để đảm bảo tính bảo mật, nhưng mỗi lần thao tác, tiếng ồn sẽ tăng lên. Quản lý và giảm thiểu tiếng ồn một cách hiệu quả là rất quan trọng để không ảnh hưởng đến độ chính xác của tính toán.

Vô hạn thao tác: Khác với một phần mã hóa đồng cấu (PHE) và một loại mã hóa đồng cấu (SHE), FHE hỗ trợ phép cộng và phép nhân vô hạn lần, có thể thực hiện bất kỳ loại tính toán nào trên dữ liệu đã mã hóa.

Nói một cách nghiêm ngặt, FHE là một trường hợp đặc biệt của mã hóa đồng cấu. Mã hóa đồng cấu có nghĩa là các thao tác trên bản mã tương đương với các thao tác tương tự trên bản rõ. Cần lưu ý hai thách thức chính:

1. Tính tương đương giữa văn bản rõ và văn bản mã hóa liên quan đến việc thêm tiếng ồn. Nếu tiếng ồn quá lớn có thể dẫn đến thất bại trong tính toán, vì vậy kiểm soát tiếng ồn là rất quan trọng.

2. Chi phí tính toán của phép cộng và phép nhân là rất lớn. Tính toán trên văn bản mã hóa có thể đắt hơn từ 10,000 đến 1,000,000 lần so với tính toán trên văn bản rõ.

Mã hóa đồng cấu dựa trên mức độ thực hiện có thể được chia thành:

• Một phần mã hóa đồng cấu ( PHE ): Hỗ trợ phép toán vô hạn.
• Một loại Mã hóa đồng cấu ( SHE ): Hỗ trợ phép cộng và phép nhân với số lần hạn chế.
• Mã hóa đồng cấu hoàn toàn(FHE): hỗ trợ phép cộng và phép nhân vô hạn, có thể thực hiện bất kỳ phép toán nào.

Lợi thế chính của FHE là khả năng thực hiện bất kỳ loại tính toán nào trên dữ liệu mã hóa, đảm bảo tính riêng tư và an toàn trong toàn bộ quá trình tính toán.

Ứng dụng của mã hóa đồng cấu hoàn toàn trong blockchain

FHE có triển vọng trở thành công nghệ chính cho khả năng mở rộng và bảo vệ quyền riêng tư của blockchain. Hiện tại, blockchain mặc định là minh bạch, mọi giao dịch và biến số hợp đồng thông minh đều là công khai. FHE có thể biến blockchain hoàn toàn minh bạch thành hình thức mã hóa một phần, trong khi vẫn được điều khiển bởi hợp đồng thông minh.

Một công ty đang phát triển máy ảo FHE, cho phép lập trình viên viết mã Solidity để thao tác các nguyên thủy FHE. Phương pháp này có thể giải quyết các vấn đề về quyền riêng tư trên blockchain ngày nay, cho phép các trường hợp sử dụng như thanh toán mã hóa, máy đánh bạc và sòng bạc, đồng thời giữ lại biểu đồ giao dịch, khiến nó thân thiện hơn với quy định.

Một ứng dụng quan trọng khác của FHE là cải thiện tính khả dụng của các dự án bảo mật. Một số dự án bảo mật gặp phải các vấn đề khả dụng đáng kể về thời gian truy xuất thông tin số dư và độ trễ đồng bộ. FHE cung cấp giải pháp thông qua việc truy xuất tin nhắn bảo mật (OMR), cho phép ứng dụng ví đồng bộ mà không tiết lộ nội dung truy cập.

Tuy nhiên, FHE không thể giải quyết trực tiếp vấn đề khả năng mở rộng của blockchain. Sự kết hợp giữa FHE và chứng minh không biết (ZKP) có thể giải quyết một số thách thức về khả năng mở rộng. FHE có thể xác minh đảm bảo rằng các phép toán được thực hiện chính xác, cung cấp một cơ chế tính toán đáng tin cậy cho môi trường blockchain.

Mối quan hệ giữa FHE và chứng minh không kiến thức (ZKP)

FHE và ZKP là các công nghệ bổ sung, nhưng phục vụ cho những mục đích khác nhau. ZKP cho phép tính toán có thể xác minh và các thuộc tính không có kiến thức, cung cấp quyền riêng tư cho trạng thái cá nhân. Tuy nhiên, ZKP không cung cấp quyền riêng tư cho trạng thái chia sẻ, điều này rất quan trọng đối với các nền tảng hợp đồng thông minh không có giấy phép. FHE và tính toán nhiều bên (MPC) cho phép thực hiện tính toán trên dữ liệu mã hóa mà không tiết lộ dữ liệu.

Kết hợp ZKP và FHE sẽ làm tăng đáng kể độ phức tạp tính toán, trừ khi có các trường hợp cụ thể cần thiết, nếu không thì không thực tế lắm.

Tình trạng và triển vọng của FHE

FHE đang chậm hơn ZKP khoảng 3-4 năm về tiến độ phát triển, nhưng đang nhanh chóng bắt kịp. Các dự án FHE thế hệ đầu tiên đã bắt đầu thử nghiệm, và mạng chính dự kiến sẽ được ra mắt vào cuối năm nay. Mặc dù chi phí tính toán của FHE vẫn cao hơn ZKP, nhưng tiềm năng ứng dụng quy mô lớn của nó là rất lớn. Khi FHE đi vào sản xuất và được quy mô hóa, dự kiến sẽ phát triển nhanh chóng như ZK Rollups.

Thách thức và rào cản

Việc ứng dụng Mã hóa đồng cấu hoàn toàn (FHE) đang đối mặt với những thách thức về hiệu suất tính toán và quản lý khóa. Các phép toán khởi động trong FHE rất tốn tài nguyên tính toán, nhưng những tiến bộ trong thuật toán và tối ưu hóa kỹ thuật đang cải thiện vấn đề này. Đối với các trường hợp sử dụng cụ thể như học máy, các giải pháp thay thế không sử dụng phép khởi động có thể hiệu quả hơn.

Quản lý khóa cũng là một thách thức lớn. Một số dự án FHE yêu cầu quản lý khóa ngưỡng, liên quan đến nhóm các xác thực viên có khả năng giải mã. Phương pháp này cần được phát triển thêm để vượt qua vấn đề điểm lỗi duy nhất.

Tình trạng thị trường FHE

Một số công ty đầu tư mạo hiểm trong lĩnh vực mã hóa đang tích cực đầu tư vào lĩnh vực FHE, nhìn thấy tiềm năng của nó. Các dự án hiện có đang hợp tác với các đối tác để phát triển các ứng dụng như máy đánh bạc, sòng bạc, thanh toán thương mại và trò chơi.

Ngưỡng FHE(TFHE) kết hợp FHE với MPC và blockchain, đặc biệt có triển vọng, mở ra các kịch bản ứng dụng mới. Tính thân thiện với nhà phát triển của FHE, cho phép lập trình bằng Solidity, trong phát triển ứng dụng vừa thực tiễn vừa khả thi.

Cạnh tranh

Nhiều công ty đang cạnh tranh trong lĩnh vực FHE:

• Một công ty tập trung vào việc tạo ra và xác minh chứng minh không kiến thức theo thời gian thực với sự tăng tốc phần cứng.
• Một công ty khác phát triển giải pháp FHE cho blockchain và AI.
• Còn có công ty giúp kỹ sư sử dụng mã hóa đồng cấu hoàn toàn để xây dựng và triển khai ứng dụng riêng tư.
• Một số dự án đang phát triển mạng blockchain hỗ trợ mã hóa đồng cấu hoàn toàn.
• Còn có các công ty đang xây dựng lớp tái thế chấp FHE, dành cho DePIN và AI.

Các công ty này đều nhận được sự hỗ trợ của vốn đầu tư mạo hiểm, cho thấy thị trường tin tưởng vào công nghệ FHE.

Môi trường quy định

Môi trường quy định về các công nghệ quyền riêng tư như FHE khác nhau ở các khu vực khác nhau. Mặc dù quyền riêng tư dữ liệu được hỗ trợ rộng rãi, quyền riêng tư tài chính vẫn là một vùng xám. FHE hy vọng sẽ tăng cường quyền riêng tư dữ liệu, cho phép người dùng giữ quyền sở hữu dữ liệu và có thể thu lợi từ đó, đồng thời duy trì lợi ích xã hội.

Kết luận

Mã hóa đồng cấu hoàn toàn(FHE) đang ở tiên phong trong lĩnh vực mã hóa, cung cấp các giải pháp bảo mật và quyền riêng tư tiên tiến. Với sự tiến bộ của công nghệ và sự chú ý từ nguồn vốn, FHE được kỳ vọng sẽ đạt được ứng dụng quy mô lớn, giải quyết các vấn đề quan trọng về khả năng mở rộng và bảo vệ quyền riêng tư của blockchain. Trong 3-5 năm tới, FHE dự kiến sẽ đạt được những tiến bộ đáng kể, mang lại các ứng dụng đổi mới cho hệ sinh thái mã hóa.