Πώς λειτουργεί πραγματικά μια θωρακισμένη συναλλαγή Zcash

Πρωτότυπη έρευνα από Annkkitaaa

Η διαίσθηση πριν από τα μαθηματικά: μια περιήγηση στις ιδιωτικές πληρωμές χωρίς τύπους

Σειρά: Zcash από πρώτες αρχές . Άρθρο 0 . Η άγκυρα Κοινό: εντελώς αρχάριοι. Δεν απαιτούνται γνώσεις κρυπτογραφίας, blockchain ή μαθηματικών. Τι θα μάθεις: ένα σωστό νοητικό μοντέλο για το πώς το Zcash κρύβει ποιος πλήρωσε ποιον και πόσο, ενώ επιτρέπει σε ολόκληρο τον κόσμο να επαληθεύει ότι δεν πλαστογραφήθηκαν χρήματα ούτε δαπανήθηκαν δύο φορές.

Κάθε επόμενο άρθρο αυτής της σειράς εστιάζει σε ένα κομμάτι της μηχανής που πρόκειται να γνωρίσεις. Επομένως, αν μια λέξη εδώ σου φαίνεται αόριστη, καλό. Είναι υπόσχεση ότι θα επιστρέψουμε και θα την εξηγήσουμε σωστά.

---

1. Γιατί πρέπει να σε ενδιαφέρει;

Φαντάσου ότι το τραπεζικό σου αντίγραφο ήταν καρφωμένο σε έναν τοίχο στην πλατεία της πόλης. Για πάντα. Οποιοσδήποτε (ο ιδιοκτήτης του σπιτιού σου, ο εργοδότης σου, ένας άγνωστος, ένας μελλοντικός εργοδότης, μια κυβέρνηση) θα μπορούσε να διαβάσει κάθε πληρωμή ενοικίου, κάθε ιατρικό λογαριασμό, κάθε δωρεά, κάθε καφέ και να εντοπίσει ακριβώς σε ποιον έστειλες χρήματα και ποιος έστειλε χρήματα σε εσένα.

Αυτό δεν είναι ένα δυστοπικό υποθετικό σενάριο. Έτσι λειτουργεί περίπου το Bitcoin.

Το Bitcoin συχνά αποκαλείται «ανώνυμο», αλλά δεν είναι. Είναι ψευδωνυμικό: το όνομά σου δεν βρίσκεται στο καθολικό, όμως κάθε συναλλαγή, ποσό και σύνδεση μεταξύ διευθύνσεων είναι δημόσια και μόνιμη. Ολόκληρος ο τομέας της «ανάλυσης αλυσίδας» υπάρχει για να αφαιρεί αυτό το λεπτό ψευδώνυμο και να συνδέει διευθύνσεις με πραγματικούς ανθρώπους. Μόλις μία από τις διευθύνσεις σου συνδεθεί με εσένα, το οικονομικό ιστορικό σου ξετυλίγεται.

Το Zcash δημιουργήθηκε για να απαντήσει σε μια παραπλανητικά δύσκολη ερώτηση:

Μπορούμε να έχουμε χρήματα που είναι απολύτως ιδιωτικά, κρύβοντας τον αποστολέα, τον παραλήπτη και το ποσό, ενώ εξακολουθούμε να επιτρέπουμε σε οποιονδήποτε να επαληθεύει ότι ακολουθήθηκαν οι κανόνες;

Αυτοί οι δύο στόχοι συγκρούονται μεταξύ τους. Ένα δημόσιο καθολικό είναι επαληθεύσιμο επειδή όλοι μπορούν να το δουν. Ιδιωτικότητα σημαίνει ότι κανείς δεν μπορεί να το δει. Πώς λοιπόν μπορεί το κοινό να επαληθεύσει κάτι που δεν επιτρέπεται να εξετάσει;

Η επίλυση αυτού του παραδόξου είναι ολόκληρη η ιστορία αυτής της σειράς. Ας αρχίσουμε.

---

2. Υπάρχουν δύο κόσμοι μέσα στο Zcash

Πριν από οτιδήποτε άλλο, ας ξεκαθαρίσουμε μια κοινή παρανόηση: Το Zcash δεν είναι «το ιδιωτικό νόμισμα». Είναι ένα νόμισμα που προσφέρει την ιδιωτικότητα ως επιλογή. Στην πραγματικότητα ξεκίνησε ως fork του Bitcoin και φέρει δύο παράλληλα συστήματα στο ίδιο blockchain.

Τα χρήματα μπορούν ακόμη και να διασχίσουν τα σύνορα μεταξύ τους: η μεταφορά κεφαλαίων στον θωρακισμένο κόσμο ονομάζεται shielding και η μεταφορά τους πάλι έξω ονομάζεται deshielding.

Ο διαφανής κόσμος είναι «το Bitcoin που ήδη καταλαβαίνεις σε γενικές γραμμές». Είναι ο θωρακισμένος κόσμος που περιέχει όλη την όμορφη κρυπτογραφία, και είναι ο μόνος κόσμος που ενδιαφέρει αυτή τη σειρά.

---

3. Η διαίσθηση: σφραγισμένοι φάκελοι σε έναν δημόσιο πίνακα

Αυτή είναι η μοναδική νοητική εικόνα που πρέπει να κρατήσεις για το υπόλοιπο άρθρο. Θα επιστρέφουμε σε αυτήν συνεχώς.

Φαντάσου έναν τεράστιο δημόσιο πίνακα ανακοινώσεων που όλοι στη Γη μπορούν να βλέπουν ανά πάσα στιγμή.

• Η λήψη χρημάτων σημαίνει ότι κάποιος καρφιτσώνει έναν σφραγισμένο, αδιαφανή φάκελο στον πίνακα. Μέσα στον φάκελο βρίσκεται πόσα χρήματα περιέχει και ένα μυστικό που μόνο ο παραλήπτης μπορεί να διαβάσει, επειδή ο φάκελος είναι κλειδωμένος με το προσωπικό κλειδί αυτού του παραλήπτη. Ολόκληρος ο κόσμος βλέπει ότι εμφανίστηκε ένας φάκελος. Κανείς εκτός από τον ιδιοκτήτη δεν μπορεί να δει τι περιέχει.

• Ο πίνακας μόνο μεγαλώνει. Οι φάκελοι δεν αφαιρούνται ούτε σβήνονται ποτέ. Νέοι φάκελοι καρφιτσώνονται επάνω του, για πάντα.

• Η δαπάνη χρημάτων σημαίνει ότι πηγαίνεις πίσω από μια κουρτίνα, αποδεικνύεις «κατέχω έναν από τους αδαπάνητους φακέλους σε αυτόν τον πίνακα και επιτρέπεται να τον ανοίξω», έπειτα ρίχνεις ένα μοναδικό token ακύρωσης σε έναν δημόσιο κάδο «δαπανημένων» και καρφιτσώνεις νέους φακέλους για όποιον πληρώνεις.

Αυτή η μικρή τελετουργία (καρφίτσωσε ένα token ακύρωσης, καρφίτσωσε νέους φακέλους, όλα πίσω από μια κουρτίνα) είναι μια πληρωμή Zcash. Όλα τα υπόλοιπα είναι λεπτομέρειες.

Τώρα ας δώσουμε σε αυτά τα αντικείμενα τα πραγματικά τους ονόματα.

---

4. Τα πέντε ουσιαστικά

Αυτοί οι πέντε όροι είναι ολόκληρο το λεξιλόγιο των θωρακισμένων συναλλαγών Zcash. Μάθε τους ως μια ιστορία, όχι ως γλωσσάρι, και θα τους θυμάσαι.

Αν δεν θυμάσαι τίποτα άλλο από αυτό το άρθρο, θυμήσου αυτόν τον πίνακα. Όσα ακολουθούν είναι απλώς το γιατί κάθε κομμάτι πρέπει να έχει το συγκεκριμένο σχήμα.

---

5. Γιατί κάθε κομμάτι έχει το συγκεκριμένο σχήμα

Αυτό είναι το μέρος που οι περισσότερες επεξηγήσεις παραλείπουν, και είναι ακριβώς το μέρος που ξεχωρίζει το «απομνημόνευσα μερικές λέξεις» από το «καταλαβαίνω τον σχεδιασμό». Κάθε ένα από τα πέντε κομμάτια υπάρχει για να λύσει ένα συγκεκριμένο πρόβλημα.

Το note commitment: κρύψε τα περιεχόμενα, αλλά κάνε την πλαστογράφηση αδύνατη

Ένας συνηθισμένος φάκελος μπορεί να ανοιχτεί με ατμό. Ένα κρυπτογραφικό note commitment δεν μπορεί. Σκέψου το ως έναν μαγικά σφραγισμένο, πλήρως αδιαφανή φάκελο με δύο υπερδυνάμεις:

• Απόκρυψη: κοιτάζοντας τον σφραγισμένο φάκελο δεν μαθαίνεις τίποτα για το ποσό ή τον ιδιοκτήτη στο εσωτερικό του.
• Δεσμευτικότητα: μόλις σφραγιστεί, τα περιεχόμενα δεν μπορούν να αντικατασταθούν. Δεν μπορείς αργότερα να ισχυριστείς ότι ο φάκελος περιείχε διαφορετικό ποσό.

Πώς μπορεί μια σφραγίδα να κάνει και τα δύο ταυτόχρονα; Αυτή είναι μια πραγματική ερώτηση με απάντηση. Είναι το θέμα του Άρθρου 3 (commitments). Προς το παρόν, δέξου τον φάκελο ως μαγικό και συνέχισε.

Το nullifier: το πραγματικά έξυπνο κομμάτι

Όταν δαπανάς ένα note, δημοσιεύεις το nullifier του, το «token ακύρωσης». Αυτό το token υπολογίζεται από το ίδιο το note και το μυστικό κλειδί σου. Αυτή η συνταγή εξασφαλίζει ταυτόχρονα τρεις ιδιότητες και καθεμία έχει σημασία:

1. Μόνο ο ιδιοκτήτης μπορεί να το δημιουργήσει. Χρειάζεσαι το μυστικό κλειδί για να το υπολογίσεις, επομένως κανείς δεν μπορεί να δαπανήσει τα notes σου για εσένα.
2. Είναι πάντα το ίδιο token για ένα συγκεκριμένο note. Προσπάθησε να δαπανήσεις το ίδιο note δύο φορές και θα παρήγαγες το ίδιο token ακύρωσης και τις δύο φορές, ενώ ο δημόσιος κάδος «δαπανημένων» το περιέχει ήδη. Η διπλή δαπάνη απορρίπτεται.
3. Κανείς δεν μπορεί να το εντοπίσει πίσω στον φάκελό του. Το token ακύρωσης φαίνεται εντελώς άσχετο με τον φάκελο από τον οποίο προήλθε.

Αυτή η τρίτη ιδιότητα είναι η καρδιά της ιδιωτικότητας του Zcash, και αξίζει τη δική της ενότητα παρακάτω.

Η απόδειξη μηδενικής γνώσης: η ίδια η κουρτίνα

Όλα συμβαίνουν πίσω από μια κουρτίνα και αυτό που δίνεις στον κόσμο μετά είναι μια απόδειξη μηδενικής γνώσης, ένα είδος μη πλαστογραφήσιμου πιστοποιητικού. Επιβεβαιώνει σιωπηρά όλα τα ακόλουθα ταυτόχρονα:

• ο φάκελος που δαπανώ είναι πράγματι καρφιτσωμένος στον πίνακα (είναι ένα πραγματικό, υπάρχον note),
• μου επιτρέπεται όντως να τον ανοίξω (κατέχω το σωστό κλειδί),
• το token ακύρωσής μου υπολογίζεται σωστά (καμία εξαπάτηση στον έλεγχο διπλής δαπάνης),
• οι νέοι φάκελοί μου περιέχουν ακριβώς τόσα χρήματα όσα ο παλιός: δεν δημιουργούνται χρήματα από το τίποτα.

Το θαύμα είναι ότι η απόδειξη αποκαλύπτει κανένα από αυτά τα στοιχεία. Ούτε το ποσό, ούτε τις διευθύνσεις, ούτε ποιος φάκελος είναι. Σε πείθει μόνο ότι κάθε παραπάνω δήλωση είναι αληθινή. Το πώς είναι αυτό δυνατό αποτελεί το Άρθρο 5 (αποδείξεις μηδενικής γνώσης), την κορύφωση της σειράς.

---

6. Η ζωή ενός μεμονωμένου note

Ένα note γεννιέται, ζει στον πίνακα και τελικά πεθαίνει, και το κρίσιμο είναι ότι η γέννηση και ο θάνατός του φαίνονται άσχετα σε οποιονδήποτε παρακολουθεί.

---

7. Μια πληρωμή, από την αρχή ως το τέλος

Ας παρακολουθήσουμε την Alice να πληρώνει τον Bob, με κάθε δημόσιο και ιδιωτικό βήμα επισημασμένο.

Παρατήρησε την ασυμμετρία που κάνει την ιδιωτικότητα να λειτουργεί:

• Το παλιό note της Alice πεθαίνει μέσω ενός nullifier στον κάδο δαπανημένων.
• Το νέο note του Bob γεννιέται μέσω ενός νέου commitment στον πίνακα.
• Για όλους όσοι παρακολουθούν, αυτά τα δύο γεγονότα δεν έχουν καμία ορατή σύνδεση. Τα ίχνη των χρημάτων χάνονται.

Πώς γνωρίζει ο Bob ότι πληρώθηκε; Το note του είναι κρυπτογραφημένο για το κλειδί του. Σαρώνει συνεχώς τον πίνακα και μόνο οι δικοί του φάκελοι ανοίγουν για εκείνον, σαν να έχει το μοναδικό κλειδί που ταιριάζει σε ένα συγκεκριμένο σύνολο κλειδαριών. Ο μηχανισμός πίσω από αυτό είναι τα viewing keys, ένα επόμενο θέμα.

---

8. Τι βλέπει ο κόσμος και τι παραμένει κρυφό

Αυτή είναι η λύση του παραδόξου από την Ενότητα 1. Το κοινό επαληθεύει τους κανόνες, όχι τα περιεχόμενα. Η επαλήθευση και η ιδιωτικότητα σταματούν να συγκρούονται, επειδή η απόδειξη μηδενικής γνώσης σου επιτρέπει να ελέγξεις το πρώτο χωρίς να αγγίξεις το δεύτερο.

---

9. Η καρδιά του θέματος: γιατί ο φάκελος και το token ακύρωσης δεν μπορούν να συνδεθούν

Αν κατανοείς αυτή τη μία ιδέα, κατανοείς γιατί το Zcash είναι ιδιωτικό. Διάβασέ το αργά.

• Ένας φάκελος (commitment) καρφιτσώνεται στον πίνακα όταν ένα note γεννιέται.
• Ένα token ακύρωσης (nullifier) ρίχνεται στον κάδο όταν το ίδιο note δαπανάται, ίσως μήνες αργότερα.
• Παράγονται από διαφορετικές μυστικές συνταγές, και δεν υπάρχει δημόσιο μαθηματικό μέσο που να μετατρέπει το ένα στο άλλο.

Επομένως, ένας εξωτερικός παρατηρητής βλέπει μια ροή φακέλων να εμφανίζεται και μια ροή από tokens ακύρωσης να εμφανίζεται, αλλά δεν μπορεί να τα αντιστοιχίσει. Δεν μπορεί να πει «το token ακύρωσης που ρίχτηκε σήμερα αντιστοιχεί στον φάκελο που καρφιτσώθηκε τον περασμένο Μάρτιο». Η σύνδεση υπάρχει μόνο στη μυστική γνώση του ιδιοκτήτη του note και η απόδειξη μηδενικής γνώσης επιβεβαιώνει ότι η σύνδεση είναι έγκυρη χωρίς να την αποκαλύπτει.

Αυτή η σπασμένη σύνδεση είναι το στοιχείο με το οποίο τρέφονται οι εταιρείες ανάλυσης αλυσίδας στο Bitcoin και το στοιχείο που το Zcash αποκόπτει σκόπιμα.

Δοκίμασε τη διαίσθησή σου: Αν τα nullifiers υπολογίζονταν αντί μόνο από το note (χωρίς τη συμμετοχή μυστικού κλειδιού), ποια από τις τρεις ιδιότητες στην Ενότητα 5 θα χαλούσε και γιατί αυτό θα κατέστρεφε αθόρυβα την ιδιωτικότητα; (Η απάντηση στο τέλος.)

---

10. Μια ειλικρινής διευκρίνιση

Αυτό είναι ένα νοητικό μοντέλο, όχι η προδιαγραφή. Για να παραμείνουμε φιλικοί προς τους αρχάριους, απλοποιήσαμε αθόρυβα αρκετά πραγματικά πράγματα: το Zcash είχε πολλαπλούς θωρακισμένους σχεδιασμούς (Sprout, έπειτα Sapling, τώρα Orchard)· οι πραγματικές συναλλαγές μπορούν να δαπανούν και να δημιουργούν πολλά notes ταυτόχρονα· ο «πίνακας» είναι τεχνικά ένα συγκεκριμένο είδος δέντρου, όχι ένας κυριολεκτικός πίνακας με καρφίτσες· και η ισορροπία αξίας επιβάλλεται με κάποια πρόσθετη κρυπτογραφική λογιστική. Καμία από αυτές τις λεπτομέρειες δεν αλλάζει την ιστορία που μόλις έμαθες· την εξειδικεύουν. Θα προσθέτουμε την ακρίβεια ξανά, ένα άρθρο τη φορά, και θα το επισημαίνουμε ξεκάθαρα κάθε φορά που το κάνουμε.

Το καλό εκπαιδευτικό περιεχόμενο κερδίζει εμπιστοσύνη λέγοντας τι άφησε έξω. Αυτή η ενότητα είναι αυτή η υπόσχεση.

---

11. Οι ανοιχτοί κύκλοι (ο χάρτης σου για τη σειρά)

Κάθε «θα επιστρέψουμε σε αυτό» παραπάνω είναι ένα νήμα. Εδώ θα ολοκληρωθεί το καθένα:

---

12. Σύνοψη

• Το Bitcoin είναι διαφανές· το Zcash προσφέρει έναν θωρακισμένο κόσμο όπου ο αποστολέας, ο παραλήπτης και το ποσό είναι κρυφά.
• Το φαινομενικό παράδοξο (ιδιωτικό αλλά δημόσια επαληθεύσιμο) είναι το κεντρικό σημείο και μπορεί να επιλυθεί.
• Μια θωρακισμένη πληρωμή αποτελείται από πέντε αλληλένδετα κομμάτια: ένα note (το νόμισμα), ένα note commitment (τον σφραγισμένο φάκελο), το note commitment tree (τον δημόσιο πίνακα), ένα nullifier (το token ακύρωσης που αποτρέπει τις διπλές δαπάνες) και μια απόδειξη μηδενικής γνώσης (την κουρτίνα που αποδεικνύει την εγκυρότητα χωρίς να αποκαλύπτει τίποτα).
• Η ιδιωτικότητα βασίζεται τελικά σε μία αποκομμένη σύνδεση: κανείς εξωτερικός δεν μπορεί να συνδέσει τη γέννηση ενός note (commitment) με τον θάνατό του (nullifier).
• Το κοινό επαληθεύει τους κανόνες, ποτέ τα περιεχόμενα.

Τώρα κρατάς τον χάρτη. Η υπόλοιπη σειρά τον συμπληρώνει.

---

Γλωσσάρι

---

Συχνές ερωτήσεις

Είναι το Zcash πάντα ιδιωτικό; Όχι. Η ιδιωτικότητα ισχύει για τον θωρακισμένο κόσμο (διευθύνσεις z.../u...). Οι διαφανείς (t...) συναλλαγές είναι δημόσιες, όπως στο Bitcoin.

Αν όλα είναι κρυφά, τι εμποδίζει κάποιον να τυπώσει δωρεάν χρήματα; Η απόδειξη μηδενικής γνώσης. Επιβάλλει μαθηματικά κάθε έξοδος μιας συναλλαγής να υποστηρίζεται από πραγματικές, αδαπάνητες εισόδους, ενώ διατηρεί τα ποσά μυστικά.

Μπορεί το ίδιο note να δαπανηθεί δύο φορές; Όχι. Η δαπάνη ενός note δημοσιεύει το nullifier του· μια δεύτερη προσπάθεια θα δημοσίευε το ίδιο nullifier, το οποίο βρίσκεται ήδη στον κάδο «δαπανημένων», επομένως το δίκτυο την απορρίπτει.

Μπορούν εξωτερικοί παρατηρητές να συνδέσουν έναν αποστολέα με έναν παραλήπτη; Όχι. Το commitment (η γέννηση του note) και το nullifier (ο θάνατος του note) δεν μπορούν να αντιστοιχιστούν από κανέναν χωρίς τη μυστική γνώση του ιδιοκτήτη.

---

Απάντηση στη δοκιμή διαίσθησης (Ενότητα 9)

Αν το nullifier υπολογιζόταν μόνο από το note, χωρίς μυστικό κλειδί, τότε οποιοσδήποτε θα μπορούσε να το υπολογίσει, παραβιάζοντας την ιδιότητα #1 (μόνο ο ιδιοκτήτης μπορεί να δαπανήσει). Ακόμη χειρότερα, το nullifier θα μπορούσε πλέον να εξαχθεί απευθείας από δημόσιες πληροφορίες σχετικά με το note, κάτι που θα επέτρεπε στους παρατηρητές να συνδέσουν το nullifier με το commitment του, παραβιάζοντας την ιδιότητα #3 και καταστρέφοντας αθόρυβα την ιδιωτικότητα ολόκληρου του συστήματος. Το μυστικό κλειδί είναι αυτό που κάνει το token ακύρωσης και αποκλειστικά δικό σου και μη συσχετίσιμο.

---

Τι ακολουθεί

Άρθρο 1 . Πεπερασμένα πεδία: το παράξενο, όμορφο σύστημα αριθμών όπου η αριθμητική «περιστρέφεται» και ο λόγος για τον οποίο κάθε κομμάτι κρυπτογραφίας αυτής της σειράς υπάρχει εκεί. Θα αρχίσουμε, όπως πάντα, με τη διαίσθηση, χωρίς τύπους μέχρι να τους αξίζουμε.

Μέρος της σειράς Zcash από πρώτες αρχές για ZecHub. Με άδεια CC BY-SA 4.0.