استرجاع المعلومات الخاص
الخلاصة
- استرجاع المعلومات الخاص، أو PIR، يتيح لجهاز ما جلب عنصر واحد من قاعدة بيانات خادم من دون أن يعرف الخادم أي عنصر تم طلبه
- يحتاج Zcash إلى هذا لأن المحفظة الخاصة لا تستطيع أن تسأل الخادم عن المعاملات التي تخصها من دون أن تكشف عن نفسها
- اليوم تقوم المحافظ بتنزيل وفحص بيانات أكثر بكثير مما تحتاج إليه، وهذا سبب رئيسي في بطء المزامنة
- سيتيح PIR للمحفظة جلب بياناتها الخاصة فقط بشكل خاص، مما يزيل هذا الاختناق مع الحفاظ على الخصوصية
- هذا مجال بحثي نشط بالنسبة إلى Zcash، قوي من الناحية النظرية، ويجري العمل على جعله عمليًا للمحافظ الحقيقية
لمن هذا
- أي شخص تساءل كيف تعثر المحفظة الخاصة على عملاتها من دون تسريب أي منها تخصه
- القادمون الجدد الذين يستمرون في رؤية PIR مذكورًا إلى جانب أعمال توسيع Zcash
- القراء الذين يريدون فهم الفكرة أولًا والتشفير الكامن وراءها ثانيًا
المشكلة التي يحلها PIR في Zcash
يخفي Zcash الجهة التي تُرسل إليها المعاملة. وتخلق هذه الخصوصية سؤالًا مربكًا: إذا كانت الشبكة لا تستطيع رؤية المعاملات التي تخصك، فكيف تعثر محفظتك أنت عليها؟
اليوم الإجابة مباشرة وخشنة. لا تستطيع المحفظة أن تسأل الخادم أي المعاملات تخصني، لأن هذا السؤال سيكشف بالضبط ما يحاول Zcash إخفاءه. لذلك بدلًا من ذلك تقوم المحفظة بتنزيل كمية كبيرة من البيانات وتختبر كل عنصر محليًا لمعرفة ما الذي يخصها. هذا ينجح، ويحافظ على الخصوصية، لكنه بطيء وثقيل. هذا الفحص هو أحد الأسباب الرئيسية التي تجعل مزامنة المحفظة تبدو بطيئة.
الحل المثالي سيكون طريقة تمكّن المحفظة من أن تطلب من الخادم بياناتها الخاصة تحديدًا، وتتلقاها، من دون أن يعرف الخادم أبدًا ما الذي طُلب. هذا بالضبط ما يوفره استرجاع المعلومات الخاص.
ما هو PIR
استرجاع المعلومات الخاص هو أسلوب تشفيري يتيح لعميل قراءة مُدخل واحد من قاعدة بيانات خادم من دون أن يكشف للخادم أي مُدخل قرأه.
تخيل مكتبة يمكنك فيها أن تتلقى الكتاب الذي تريده بالضبط، لكن أمين المكتبة لا يعرف أبدًا أي كتاب سلمه لك. تحصل على العنصر الذي تريده، ويظل اهتمامك خاصًا. PIR هو النسخة الرياضية من هذه الفكرة، مطبقة على أي قاعدة بيانات.
تمت دراسة هذا المفهوم في علم التشفير لعقود. وقد طُرح لأول مرة في عام 1995 على يد Chor وGoldreich وKushilevitz وSudan، الذين وصفوا نهج الخوادم المتعددة، ثم تبعت أول نسخة بخادم واحد في عام 1997 من Kushilevitz وOstrovsky. هذا ليس شيئًا اخترعه Zcash، بل هو مجال راسخ يقوم Zcash الآن بتطبيقه على مشكلة حقيقية وعنيدة.
كيف يعمل PIR، على المستوى الأول
هناك طريقتان عامتان لبناء PIR، والفرق بينهما مهم.
الأولى تستخدم عدة خوادم. يرسل العميل إلى كل واحد من عدة خوادم جزءًا من الاستعلام، ثم يدمج إجاباتها محليًا. لا يرى أي خادم منفرد ما يكفي لمعرفة ما الذي تم طلبه. هذا فعّال، لكنه يعتمد على ألا تتواطأ الخوادم مع بعضها، وهو أمر يصعب ضمانه في العالم الحقيقي.
الثانية تستخدم خادمًا واحدًا وتشفيرًا ذكيًا بدلًا من عدة أطراف. هنا يعتمد العميل على أداة خاصة تُسمى التشفير متماثل الشكل، وهذا هو الاتجاه الأكثر فائدة للنشر الفعلي، لأنه لا يحتاج إلى عدة خوادم غير متواطئة.
الآلية: التشفير متماثل الشكل
التشفير متماثل الشكل هو نوع من التشفير يتيح للخادم إجراء عمليات حسابية على البيانات بينما تظل مشفرة. وينتج الخادم إجابة مشفرة صحيحة من دون أن يرى القيم الأساسية أبدًا.
إليك الفكرة وراء PIR بخادم واحد عند بنائه بهذه الطريقة. يريد العميل العنصر رقم ثلاثة من قائمة. فيبني استعلامًا يكون، عمليًا، نعم مشفرة للموضع الثالث ولا مشفرة لكل موضع آخر. بالنسبة إلى الخادم، هذا الاستعلام مجرد ضجيج عديم المعنى، ولا يمكنه معرفة أي موضع يحتوي على نعم.
بعد ذلك يدمج الخادم قاعدة بياناته مع هذا الاستعلام المشفر باستخدام الخصائص الخاصة للتشفير متماثل الشكل، فيضرب كل عنصر مخزن في نعم أو لا المشفرتين المطابقتين له ويجمع النتائج معًا. والناتج هو حزمة مشفرة واحدة تحتوي بالضبط على العنصر الذي أراده العميل، ولا يكشف شيء عن أي عنصر كان. يفك العميل تشفير هذه الحزمة ويقرأ عنصره. لقد أجاب الخادم عن السؤال من دون أن يعرف السؤال أبدًا.
هناك نسخة أقوى تُسمى PIR المتماثل، وتضيف ضمانًا ثانيًا: يتعلم العميل فقط العنصر الذي طلبه ولا يتعلم شيئًا عن أي مُدخل آخر في قاعدة البيانات. وهذا يحمي قاعدة البيانات وكذلك العميل.
نظرة أقرب للقراء التقنيين
تُبنى المخططات الحديثة ذات الخادم الواحد على تشفير الشبكات، والأكثر شيوعًا على افتراض learning with errors. يكون استعلام العميل متجهًا من النصوص المشفرة، وهو تشفير للواحد عند الفهرس المستهدف وللصفر في بقية المواضع، ويكون التشفير متماثلًا جمعيًا، بحيث يستطيع الخادم جمع النصوص المشفرة وضربها في مُدخلات قاعدة البيانات النصية الصريحة من دون فك تشفيرها.
يعامل الخادم قاعدة البيانات على أنها مصفوفة، ويطبق متجه الاختيار المشفر، ثم يعيد نصًا مشفرًا واحدًا يفك تشفيره إلى الصف المطلوب. وبما أن الاستعلام لا يمكن تمييزه عن الضجيج العشوائي، فلا يكتسب الخادم أي معلومات عن الفهرس.
كانت العقبة التاريخية دائمًا هي الكلفة. بطريقة ساذجة، يجب على الخادم أن يلامس كل مُدخل في قاعدة البيانات لكل استعلام، وهو أمر مكلف حسابيًا، كما أن النصوص المشفرة كبيرة، وهذا مكلف من ناحية عرض النطاق. تستهدف الأبحاث الحديثة هذه المشكلة عبر المعالجة المسبقة؛ إذ تتيح مخططات مثل SimplePIR وFrodoPIR للخادم إعداد قاعدة البيانات مسبقًا وتسليم كل عميل تلميحًا صغيرًا، مما يدفع جزءًا كبيرًا من العمل إلى مرحلة غير متصلة بحيث تصبح الاستعلامات الحية سريعة. ومن الفوائد الجانبية المفيدة أن البنى المعتمدة على الشبكات تُعد أيضًا مقاومة للهجمات الكمية، وهو ما ينسجم مع توجه Zcash الأوسع نحو خصوصية ما بعد الكم.
PIR في Zcash
يُعد PIR جزءًا من الجهد الرامي إلى جعل Zcash خاصًا وسريعًا على نطاق واسع في الوقت نفسه.
الهدف هنا هو اختناق فحص المحفظة الذي وُصف سابقًا. يعمل فريق Valar Group على تطوير تقنيات استرجاع المعلومات الخاص بحيث تستطيع المحفظة جلب بياناتها الخاصة من خادم من دون أن يعرف الخادم أي المُدخلات تم طلبها. وأحد التطبيقات الملموسة هو التحقق من nullifiers بشكل خاص. الـ nullifier هو علامة فريدة تُنشر عند إنفاق note، وتمنع إنفاق الأموال نفسها مرتين. وغالبًا ما تحتاج المحفظة إلى التحقق مما إذا كان nullifier معيّن قد ظهر بالفعل، أي ما إذا كانت note لا تزال غير منفقة، والقيام بذلك عبر خادم اليوم قد يسرّب أي note يجري السؤال عنها. يتيح استرجاع المعلومات الخاص للمحفظة طرح هذا السؤال من دون كشف أي nullifier تهتم به. ويأتي هذا إلى جانب أعمال توسيع أخرى، بما في ذلك Project Tachyon وبرمجيات العقد الجديدة، والتي تهدف إلى إزالة حدود الأداء التي تعيق المحافظ الخاصة اليوم.
ومن المهم أن نكون صادقين بشأن المرحلة الحالية. هذا بحث وهندسة نشطان، وليس ميزة مكتملة ومُطلقة بالفعل. المفهوم راسخ جيدًا والاتجاه محدد، لكن جعل PIR كفؤًا بما يكفي للمحافظ اليومية على الأجهزة العادية هو بالضبط الجزء الصعب الذي يجري العمل عليه الآن.
مفاهيم خاطئة شائعة
- يُخفي PIR العنصر الذي طلبته، لكنه لا يُخفي بالضرورة أنك اتصلت بالخادم أصلًا، فبيانات التعريف على مستوى الشبكة مسألة منفصلة
- PIR ليس حكرًا على Zcash، بل هو أداة تشفير عامة يطبقها Zcash على خصوصية المحفظة
- تسريع المزامنة عبر PIR هدف يجري العمل عليه، وليس ميزة موجودة بالفعل في المحافظ
- تنزيل كل شيء وفحصه محليًا، وهو النهج الحالي، خاص لكنه بطيء، وهدف PIR هو الحفاظ على الخصوصية مع إزالة هذا البطء
صفحات ذات صلة
