Mã hóa đồng cấu hoàn toàn: sự phát triển và ứng dụng

Khái niệm mã hóa đồng cấu hoàn toàn (FHE) có thể được truy nguyên đến những năm 1970, nhưng trong thời gian dài vẫn rất khó để hiện thực hóa. 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. Vào năm 2009, nghiên cứu đột phá của Craig Gentry đã cho thấy khả năng thực hiện các phép tính tùy ý trên dữ liệu đã mã hóa, từ đó thúc đẩy sự phát triển của FHE.

FHE là một công nghệ mã hóa tiên tiến, cho phép thực hiện tính toán trên dữ liệu trong trạng thái mã hóa. Điều này có nghĩa là có thể thao tác trực tiếp trên văn bản mã hóa và tạo ra kết quả mã hóa, kết quả sau khi giải mã sẽ nhất quán với kết quả của các thao tác tương tự trên dữ liệu gốc.

Mã hóa đồng cấu hoàn toàn của các đặc điểm cốt lõi

1. Tính đồng cấu:

   • Phép cộng: Phép cộng trên văn bản mã hóa tương đương với phép cộng trên văn bản rõ.
   • Phép nhân: Phép nhân trên bản mã tương đương với phép nhân trên bản rõ.

2. Quản lý tiếng ồn: Trong quá trình mã hóa FHE, tiếng ồn sẽ được thêm vào để đảm bảo an toàn, nhưng sau mỗi thao tác, tiếng ồn sẽ tăng lên. Quản lý và giảm thiểu tiếng ồn một cách hiệu quả là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác của tính toán.

3. Hoạt động vô hạn: Khác với mã hóa đồng cấu một phần (PHE) và một số loại mã hóa đồng cấu (SHE), FHE hỗ trợ vô hạn các phép cộng và phép nhân, cho phép thực hiện bất kỳ loại tính toán nào trên dữ liệu được mã hóa.

Tuy nhiên, FHE đối mặt với hai thách thức chính:

1. Kiểm soát tiếng ồn: Tiếng ồn được thêm vào trong quá trình thao tác có thể dẫn đến sai lệch tính toán, cần phải kiểm soát một cách tinh vi.
2. Chi phí tính toán: Tính toán trên bản mã hóa tốn kém hơn nhiều so với tính toán trên bản rõ, có thể đạt từ 10.000 đến 1.000.000 lần.

Ứng dụng của mã hóa đồng cấu hoàn toàn trong blockchain

FHE có triển vọng trở thành công nghệ then chốt giải quyết khả năng mở rộng và bảo vệ quyền riêng tư cho blockchain. Hiện tại, các hệ thống blockchain thường là minh bạch, các giao dịch và biến của hợp đồng thông minh đều công khai. FHE có thể biến blockchain hoàn toàn minh bạch thành dạng mã hóa một phần, đồng thời giữ lại quyền kiểm soát của hợp đồng thông minh.

Một số dự án đang phát triển máy ảo FHE, cho phép lập trình viên viết mã hợp đồng thông minh để thực hiện các nguyên lý FHE. Phương pháp này có thể giải quyết các vấn đề về quyền riêng tư hiện tại trên blockchain, cho phép các ứng dụng như thanh toán mã hóa, trò chơi, v.v., đồng thời giữ lại đồ thị giao dịch, tăng cường tính thân thiện với quản lý.

FHE còn có thể cải thiện trải nghiệm người dùng của các dự án quyền riêng tư thông qua truy xuất tin nhắn riêng tư (OMR), cho phép ứng dụng ví đồng bộ hóa dữ liệu mà không tiết lộ nội dung truy cập.

Tuy nhiên, FHE tự nó không thể giải quyết trực tiếp vấn đề khả năng mở rộng của blockchain. Việc kết hợp FHE với chứng minh không biết (ZKP) có thể cung cấp ý tưởng để giải quyết một phần thách thức về khả năng mở rộng.

Mối quan hệ giữa FHE và chứng minh không kiến thức

FHE và ZKP là những công nghệ bổ sung cho nhau, phục vụ cho những mục đích khác nhau. ZKP thực hiện tính toán có thể xác minh và thuộc tính không có kiến thức, cung cấp bảo vệ quyền riêng tư cho trạng thái riêng tư. Tuy nhiên, ZKP không thể bảo vệ quyền riêng tư của 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 đa bên (MPC) có thể thực hiện tính toán trên dữ liệu mã hóa mà không tiết lộ dữ liệu.

Tình hình phát triển và triển vọng của FHE

Sự phát triển của FHE chậm hơn ZKP khoảng ba đến bốn năm, nhưng đang nhanh chóng đuổi kịp. Những dự án FHE đầu tiên đã bắt đầu thử nghiệm và dự kiến sẽ ra mắt mạng chính 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 vào môi trường sản xuất và đạt được quy mô, tốc độ phát triển của nó dự kiến sẽ tương đương với ZK Rollups.

Thách thức và rào cản

Việc ứng dụng rộng rãi của mã hóa đồng cấu hoàn toàn (FHE) đối mặt với những thách thức như hiệu suất tính toán và quản lý khóa. Các phép toán tự 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 một số ứng dụng cụ thể, như học máy, các giải pháp thay thế không sử dụng tự khởi động có thể hiệu quả hơn.

Quản lý khóa cũng là một thách thức quan trọng. Một số dự án FHE cần quản lý khóa ngưỡng, liên quan đến một nhóm các xác thực viên có khả năng giải mã. Phương pháp này cần được phát triển thêm để khắc phục vấn đề điểm lỗi đơn.

Tình trạng thị trường FHE

Nhiều công ty đầu tư mạo hiểm trong lĩnh vực mã hóa đang tích cực đầu tư vào lĩnh vực FHE, tin tưởng vào tiềm năng của nó. Một số dự án đang phát triển các ứng dụng dựa trên FHE, như trò chơi, hệ thống thanh toán, v.v. FHE ngưỡng (TFHE) kết hợp FHE với MPC và blockchain, mở ra các kịch bản ứng dụng mới. Tính thân thiện với nhà phát triển của FHE, chẳng hạn như hỗ trợ sử dụng các ngôn ngữ lập trình phổ biến để phát triển, làm cho nó trở nên thực tiễn và khả thi hơn trong việc phát triển ứng dụng.

Môi trường quy định

Môi trường pháp lý cho các công nghệ riêng tư như FHE khác nhau ở các khu vực khác nhau. Mặc dù quyền riêng tư dữ liệu thường được ủng hộ, quyền riêng tư tài chính vẫn nằm trong vùng xám. FHE có tiềm năng tăng cường bảo vệ 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 hình hoàn toàn đang ở thời điểm quan trọng trong việc chuyển đổi bối cảnh mật mã, cung cấp các giải pháp bảo mật và quyền riêng tư tiên tiến. Với tiến bộ công nghệ và sự chú ý về vốn, FHE dự kiến sẽ đạt được ứng dụng quy mô lớn, giải quyết các vấn đề chính về khả năng mở rộng blockchain và bảo vệ quyền riêng tư. Khi công nghệ trưởng thành, FHE sẽ mang lại cơ hội sáng tạo cho một loạt các ứng dụng trong hệ sinh thái tiền điện tử.