Que mudanças a criptografia totalmente homomórfica trará para a Web3?

O FHE é o Santo Graal da computação. O valor e a computação estão em transição para uma rede aberta e sem permissão. O FHE sustentará a maior parte da infraestrutura e dos aplicativos necessários. Com o silêncio do mercado no mercado baixista, os investidores e as partes do projeto sempre começarão a procurar novos pontos de crescimento.

No período de janela vazia, sem pontos de acesso contínuos, é uma excelente oportunidade para explorar e obter uma compreensão mais profunda das novas tecnologias, porque as novas tecnologias podem tornar-se o núcleo da próxima narrativa do mercado.

No mês passado, a Portal Ventures, uma conhecida empresa de capital de risco de criptografia, publicou um artigo em seu blog oficial discutindo detalhadamente a tecnologia de criptografia totalmente homomórfica (FHE). No entanto, este artigo técnico aprofundado não parece ter atraído muita atenção do público em geral.

O autor do Portal Ventures colocou desta forma: “A criptografia totalmente homomórfica é o Santo Graal dos esquemas de criptografia”.

Compreender as tecnologias nas quais os VCs se concentram é fundamental para os investidores porque pode nos ajudar a prever e compreender tendências potenciais no próximo ciclo de mercado. Na verdade, tecnologias como a criptografia homomórfica, a prova de conhecimento zero e a computação segura multipartidária têm um impacto profundo no campo da criptografia, especialmente a criptografia totalmente homomórfica, que pode ter um enorme potencial de aplicação nas áreas de criptomoeda e web3.

O problema é que a maioria das pessoas tem muito pouca ideia do que realmente é a criptografia totalmente homomórfica, como funciona e como difere de outras tecnologias. Quando o mercado está lento e o sentimento de investimento está lento, é sem dúvida uma escolha sábia sair da agitação do hype e realizar pesquisas e compreensão aprofundadas destas tecnologias de ponta.

Por coincidência, o autor teve a sorte de entrar em contato com soluções técnicas relacionadas à FHE no trabalho há alguns anos. Por isso, decidi fazer uma interpretação aprofundada deste artigo do Portal Ventures, na esperança de lhe proporcionar algumas novas perspectivas e pensamentos.

**Criptografia homomórfica e totalmente homomórfica, o que é exatamente? **

Se você ler diretamente o texto original do Portal Ventures, poderá ficar confuso com a complexa descrição matemática da criptografia totalmente homomórfica (FHE).

Na verdade, o mundo da criptografia é esotérico e técnico, mas podemos explicar estes conceitos de uma forma simples e popular. Nesta seção, o autor tenta fornecer alguns exemplos mais intuitivos e fáceis de entender para ajudá-lo a obter uma compreensão mais profunda da criptografia totalmente homomórfica.

Primeiro, imagine uma “caixa secreta”. Você pode colocar qualquer coisa nesta caixa e ela será trancada. Uma vez bloqueada, você não poderá ver ou tocar no conteúdo da caixa. Mas, surpreendentemente, esta caixa mágica permite alterar a cor ou a forma dos itens dentro dela sem abri-la.

Conforme mostrado na figura acima, a criptografia totalmente homomórfica pode ser vista como uma caixa mágica:

  1. Seu envelope: representa os dados originais que você deseja criptografar.
  2. Operação da Magic Box: Mesmo sem descriptografar ou abrir o envelope, você pode realizar operações nos dados do envelope (como adição, subtração, etc.).
  3. Novo envelope (Novo Envelope): Após a operação da caixa mágica, você obterá um novo resultado criptografado.

Esta é a ideia básica da criptografia homomórfica: operar sobre dados criptografados sem conhecer os dados em si.

Este exemplo popular ajuda a entender o que a "criptografia totalmente homomórfica" está fazendo. Mas, na verdade, o conceito em si ainda é um pouco como ouvir o que você diz. Então, o que é “completo” e “homomórfico”?

1.O que é "Totalmente"?

  • Na criptografia, os esquemas de criptografia podem suportar uma variedade de operações, como adição, multiplicação, etc. Quando dizemos que um esquema de criptografia é "totalmente homomórfico", queremos dizer que o esquema de criptografia suporta qualquer número de operações básicas (como adição e multiplicação) em dados criptografados sem descriptografia. Isso contrasta com a criptografia parcialmente homomórfica, como esquemas somente de adição ou somente multiplicação.

2.O que é "homomórfico"?

  • “Homomorfismo” vem do grego e significa “mesma forma ou estrutura”. Em criptografia, quando dizemos que um esquema de criptografia é homomórfico, isso significa que algumas operações têm o mesmo efeito no texto simples e no texto cifrado. Em outras palavras, se você executar uma operação nos dados criptografados e depois descriptografar o resultado, será equivalente a primeiro descriptografar os dados e depois executar a mesma operação nos dados descriptografados.

3. Por exemplo, considere um esquema de criptografia que suporta adição homomórfica. Suponha que você tenha dois números: 3 e 4. Você pode primeiro criptografar os dois números e depois adicionar os dois números criptografados usando este esquema de criptografia homomórfica. Finalmente, você descriptografa o resultado somado. O resultado da descriptografia resultante será 7, que é o mesmo resultado que você obteria adicionando 3 e 4 diretamente ao texto simples.

Mas, você pode perguntar, como fazemos essas operações de adição, subtração, multiplicação e divisão em não-números? Na verdade, podemos usar métodos de codificação específicos para converter dados não numéricos em formato digital, para que operações como adição e multiplicação possam ser realizadas neles. Isso significa que a aplicação da criptografia totalmente homomórfica não se limita a cálculos matemáticos, mas também pode ser amplamente utilizada em outras áreas.

Para explicar este conceito de forma mais intuitiva, consideremos o exemplo dos dados médicos.

  1. Suponha que o hospital tenha alguns dados do paciente, como idade e nível de açúcar no sangue, mas não queira enviá-los diretamente ao provedor de serviços em nuvem para análise devido a questões de privacidade.
  2. Ao usar criptografia totalmente homomórfica, o hospital pode primeiro criptografar esses dados.
  3. Imagine que um provedor de serviços em nuvem precise calcular a idade média de todos os pacientes (isso requer adição e divisão) e a soma dos valores de glicemia multiplicada pelo número de pacientes (isso envolve adição e multiplicação).
  4. Todos esses cálculos podem ser feitos em dados criptografados sem descriptografia. O provedor de serviços em nuvem conclui o cálculo sem descriptografar os dados e devolve o resultado criptografado ao hospital. Isso garante a privacidade dos dados, ao mesmo tempo que atende às necessidades de processamento de dados.

Este é o charme da criptografia totalmente homomórfica, que nos fornece um método de processamento de dados seguro e flexível.

**Por que o FHE é importante? **

Atualmente, os métodos existentes para realizar cálculos em dados criptografados não são ideais. Eles são relativamente caros no uso de recursos e no consumo de tempo.

Portanto, o procedimento padrão da indústria é que os dados sejam descriptografados por terceiros (ou seja, uma empresa) antes da realização dos cálculos.

Como exemplo concreto, imagine que você tem um arquivo de dados que contém informações financeiras sobre vários indivíduos importantes.

  • Vamos chamar esse arquivo de "M". Precisamos de alguma empresa para analisar esses dados.
  • Qual é o processo atual? Primeiro, criptografo M usando uma função de criptografia como RSA ou AES. Neste ponto, M torna-se E(M), onde E é a função de criptografia.
  • Em seguida, envio E(M) para o servidor da empresa. A empresa agora descriptografa E(M) em texto simples por meio da função de descriptografia relevante D, ou seja, D(M).
  • A empresa analisa diretamente o texto simples do arquivo M.
  • Após a conclusão da operação, criptografe M novamente para gerar um E(M').
  • A empresa então criptografa o M' e o envia de volta para mim, e eu o descriptografo novamente.

Na verdade, a questão principal aqui é que quando a empresa descriptografa M e o armazena em seus servidores para computação, terceiros obtêm acesso a dados confidenciais que deveriam ser protegidos. Isso cria problemas se essa pessoa for hackeada ou tiver intenções maliciosas.

A criptografia totalmente homomórfica (FHE) resolve esse problema, permitindo que a computação seja realizada em dados criptografados. A empresa não precisa mais descriptografar E(M). Ele realiza análises diretamente em dados criptografados. Não há necessidade de descriptografia nem suposições de confiança.

Resumindo, a introdução da criptografia totalmente homomórfica resolve um problema fundamental no atual processo de processamento de dados, ou seja, o risco de privacidade que pode ser exposto quando os dados são processados por terceiros. O FHE nos fornece uma maneira de lidar com dados criptografados de maneira eficiente e, ao mesmo tempo, garantir a privacidade dos dados.

**Como o FHE é aplicado no Crypto? **

A criptografia totalmente homomórfica (FHE) abre uma nova porta para o mundo da criptografia e nos traz muitos cenários de aplicação anteriormente inimagináveis. A descrição original da cena no artigo original da Poly Venture é relativamente simples, por isso tentamos usar uma tabela para dar uma interpretação mais organizada.

**FHE vs ZK vs MPC, você não percebe a diferença? **

Depois de aprender sobre a criptografia totalmente homomórfica (FHE), é fácil compará-la com outras tecnologias familiares, como provas de conhecimento zero (ZK) e computação multipartidária (MPC). À primeira vista, todos parecem estar trabalhando em problemas semelhantes de privacidade e computação. Mas quais são as conexões e diferenças reais entre os três?

Primeiro, vejamos as definições básicas dessas três tecnologias:

  • FHE: Permite que a computação seja realizada em dados criptografados sem descriptografia. *ZK: Permite que uma parte prove a outra parte que uma afirmação é verdadeira sem revelar qualquer informação específica sobre a afirmação.
  • MPC: permite que várias partes realizem cálculos em conjunto em seus dados privados sem revelar dados de entrada a outros participantes.

Então, vejamos suas semelhanças, diferenças e interseções em múltiplas dimensões:

1. Propósito:

  • O principal objetivo do FHE é realizar cálculos sem descriptografia.
  • O objetivo do ZK é provar a veracidade de um fato sem revelar qualquer informação sobre esse fato.
  • O objetivo do MPC é permitir que várias partes calculem juntas com segurança, sem revelar suas respectivas entradas.

2. Privacidade e computação:

*No ZK, os cálculos não são necessariamente privados. Por exemplo, embora você possa usar ZK para verificar se o saldo de uma conta bancária excede US$ 100.000, os cálculos usados para realizar tal verificação não são necessariamente privados.

  • Em contraste, o FHE garante a privacidade dos cálculos porque todos os cálculos são realizados em dados criptografados.

3.Limitações e Desafios:

  • O MPC requer pelo menos um servidor honesto e pode ser afetado por ataques DDoS, ataques de conluio silenciosos e sobrecarga de comunicação.
  • ZK é usado principalmente para provar a correção, não como uma tecnologia de privacidade.
  • Embora o FHE forneça forte privacidade, é computacionalmente menos eficiente e requer maiores recursos.

4.Aplicação na área de criptografia:

  • O FHE pode ser usado para construir mais contratos inteligentes privados e outras aplicações de blockchain.
  • ZK é usado para criar soluções blockchain escaláveis, como zk-rollups.
  • MPC é usado principalmente para gerenciamento e custódia de chaves privadas.

5. Uso cruzado:

  • O MPC pode ser combinado com o FHE para formar o FHE de limite, o que aumenta a segurança ao dividir uma chave de criptografia FHE em múltiplas e fornecer uma para cada participante.
  • zkFHE é uma combinação de prova de conhecimento zero e criptografia totalmente homomórfica, que está sendo pesquisada para realizar zk-rollups em contratos inteligentes FHE.

De modo geral, embora FHE, ZK e MPC se sobreponham em alguns aspectos, todos eles têm suas próprias vantagens e cenários de aplicação exclusivos. No mundo criptográfico, todas as três tecnologias oferecem um grande potencial para maior privacidade e segurança, mas a sua combinação e investigação adicional continua a ser uma área ativa para a comunidade criptográfica.

Finalmente, também podemos fornecer uma versão da tabela que economiza fluxo para comparar as tecnologias acima para ajudar todos a entender de forma mais intuitiva.

Perspectivas Futuras para FHE

Como pode ser visto acima, a criptografia totalmente homomórfica (FHE) é claramente uma técnica poderosa.

Mas por que não foi amplamente adotado ou mesmo raramente mencionado na cripto-CT? Por um lado, existe um certo limiar para a compreensão da tecnologia em si e, por outro lado, a tecnologia FHE ainda enfrenta alguns desafios, tornando difícil chegar facilmente aos olhos do público de forma comercial.

Os desafios podem incluir:

1. Intensivo Computacional: Quando nosso texto cifrado interage, para manter a segurança, mais ruído será adicionado. Os esquemas FHE usam técnicas de "bootstrapping" para reduzir o ruído, mas isso exige muito uso computacional e muitos recursos.

2. Funções limitadas: Os cálculos do FHE são limitados à adição, multiplicação e suas variantes/combinações. Por exemplo, as instruções if não podem ser usadas no FHE porque o conteúdo está criptografado. Além disso, a construção de operações relativamente complexas, tais como comparações e divisões, requer um planeamento cuidadoso da lógica subjacente, o que resulta em técnicas de programação mais complexas e menos eficiência computacional.

3. Problemas de compatibilidade/combinação: os aplicativos e provedores de serviços existentes não foram criados para computar dados criptografados. Isto limita a integração do FHE com as tecnologias existentes e aumenta a inércia necessária para desenvolver aplicações compatíveis com o FHE.

Soluções possíveis:

1. Acelerador de hardware: Certos esquemas FHE, como nuFHE e cuFHE, podem usar aceleração de GPU, mas o principal avanço virá de FPGAs e ASICs mais rápidos. Outras tecnologias, como a fotônica, também estão sendo investigadas para acelerar os casos de uso de hardware para FHE.

2. Novos Paradigmas de Programação: Assim como os pacotes para matemática complexa, como pandas e numpy em Python, as bibliotecas FHE também serão construídas. Atualmente, Zama e Sunscreen são dois projetos que constroem essas bibliotecas e SDKs para FHE. Além disso, compiladores especializados precisam ser construídos para permitir que os desenvolvedores unifiquem FHE, ZKP e MPC.

3. Integração entre o FHE e as soluções existentes: As soluções serão construídas para tornar as ferramentas existentes compatíveis com o FHE, servindo como uma camada intermediária entre as ferramentas e os dados criptografados pelo FHE.

Por fim, o Portal Ventures enfatizou novamente na conclusão do artigo original:

"O FHE é o Santo Graal da computação e estamos cada vez mais perto de sua comercialização. O valor e a computação estão em transição para redes abertas e sem permissão, e acreditamos que o FHE sustentará grande parte da infraestrutura e dos aplicativos necessários."

Além disso, manifestaram interesse em projetos que atualmente investigam a ESF. Portanto, o que podemos ver é que a VC está interessada em FHE, ou a VC será a primeira a se interessar por tecnologias hard-core que ainda não chegaram aos olhos do público.

A história mostra que os projetos de criptografia baseados em novas tecnologias costumam ter uma auréola brilhante e altas avaliações, e são procurados por vários capitais.

Antes do início do próximo banquete, deveríamos realmente gastar mais tempo e pesquisar as identidades dos convidados com antecedência para que possamos lidar com isso com facilidade quando o banquete começar.

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