چرا اثبات‌های دانش صفر، آسیب‌پذیری‌های احراز هویت را به سمت دستگاه کاربر نهایی منتقل می‌کنند؟

فروشندگان امنیت سایبری، اثبات‌های دانش صفر (ZKPs) را به عنوان یک راه‌حل جادویی ریاضی معرفی می‌کنند که با ذخیره نکردن مطلقاً هیچ داده‌ای در سرور، نقض داده‌ها را غیرممکن می‌سازد. شواهد با این ادعای مطلق در تناقض است: در حالی که این پروتکل رمزنگاری واقعاً از نگهداری رمز عبور متنی ساده توسط سرور جلوگیری می‌کند، اما صرفاً سطح آسیب‌پذیری را از پایگاه داده به نقطه پایانی محلی کاربر منتقل می‌کند، یعنی جایی که اثبات عملاً تولید می‌شود.

سازوکار اصلی اثبات دانش صفر به یک طرف اجازه می‌دهد تا برای طرف دیگر ثابت کند که یک گزاره خاص صحیح است، بدون اینکه هیچ اطلاعاتی فراتر از اعتبار خود گزاره فاش شود.

در زمینه احراز هویت، دستگاه کاربر ثابت می‌کند که کلید خصوصی صحیح مربوط به یک حساب را در اختیار دارد، بدون اینکه هرگز آن کلید را از طریق شبکه ارسال کند. اگر سرور بعداً توسط هکرها به خطر بیفتد، هیچ اطلاعات هویتی برای سرقت وجود ندارد، زیرا سرور فقط تأیید ریاضی اثبات را ذخیره می‌کند، نه راز اصلی را.

پیاده‌سازی‌های اولیه بر اثبات‌های تعاملی متکی بودند که نیازمند یک گفتگوی پیوسته بین کلاینت و سرور بود. سرور مجموعه‌ای از چالش‌های ریاضی تصادفی را صادر می‌کرد و کلاینت آن‌ها را حل می‌کرد. پس از سه تا پنج پاسخ موفق، احتمال آماری حدس زدن پاسخ‌ها توسط کلاینت بدون داشتن کلید خصوصی، تقریباً به صفر می‌رسید. با این حال، این مدل تعاملی برای شبکه‌های موبایل مصرف‌کنندگان، که در آن‌ها قطع شدن بسته‌ها می‌توانست کل فرآیند احراز هویت را مجبور به شروع مجدد کند، بسیار شکننده بود.

برای حل مشکل اتصال، صنعت به سمت اثبات‌های دانش صفر غیرتعاملی، عمدتاً zk-SNARKs (استدلال‌های دانش غیرتعاملی مختصر دانش صفر) حرکت کرد. در این مدل، دستگاه کاربر یک گواهی ریاضی واحد و پیچیده تولید می‌کند که سرور می‌تواند آن را فوراً در یک مرحله تأیید کند. این امر شکنندگی شبکه را از بین می‌برد، اما یک بار محاسباتی عظیم را بر دوش دستگاه تولیدکننده گواهی تحمیل می‌کند.[2]

شکاف عملکرد بین احراز هویت سنتی و تأیید دانش صفر، هنگام اندازه‌گیری روی سخت‌افزار مصرف‌کننده، بسیار شدید است. یک فرآیند استاندارد رمزنگاری TLS ۱.۳، که تقریباً تمام ترافیک وب مدرن را ایمن می‌کند، تقریباً ۲۵ تا ۵۰ میلی‌ثانیه طول می‌کشد تا در یک اتصال سلولی استاندارد تکمیل شود.

در مقابل، تولید یک اثبات zk-SNARK واحد بر روی یک پردازنده ARM موبایل نسل فعلی، بین ۱.۲ تا ۲.۴ ثانیه زمان می‌برد. این بدان معناست که دستگاه باید CPU خود را با حداکثر ظرفیت برای بیش از یک ثانیه کامل اجرا کند تا کاربر صرفاً وارد سیستم شود. مزیت حفظ حریم خصوصی ناشی از عدم نگهداری اطلاعات هویتی در سرور، کاملاً با عمر باتری و سربار پردازشی دستگاه موبایل پرداخت می‌شود.

محدودیت‌های حافظه یک گلوگاه دیگر را ایجاد می‌کنند. در حالی که یک رمز عبور هش‌شده سنتی کمتر از ۱۰۰ بایت فضای ذخیره‌سازی اشغال می‌کند، اثبات‌های مدرن zk-STARK نیازمند ردپای حافظه‌ای بین ۴۵ کیلوبایت تا ۱۲۰ کیلوبایت برای هر اثبات هستند. برای یک سیستم احراز هویت با فرکانس بالا، این سربار داده به سرعت پهنای باند موجود در شبکه‌های محدود را مصرف می‌کند.[1]

هنگام مقایسه تأخیر پایه ۵۰ میلی‌ثانیه‌ای TLS با حداقل زمان تولید ۱.۲ ثانیه‌ای برای zk-SNARK، سربار ریاضیاتی یک جریمه تأخیر ۲۴ تا ۴۸ برابری را بر دستگاه کلاینت تحمیل می‌کند. این واقعیت عملیاتی به ندرت در مواد بازاریابی فروشندگان ذکر می‌شود، که تمایل دارند منحصراً بر مزایای سمت سرور این معماری تمرکز کنند.[3]

این تغییر معماری، مدل تهدید را نیز اساساً دگرگون می‌کند. در یک سیستم سنتی، پایگاه داده متمرکز یک شرکت هدف اصلی مهاجمان است. در یک سیستم دانش صفر، پایگاه داده از نظر ریاضی برای هکر بی‌فایده است. در عوض، هدف مهاجم به سمت به خطر انداختن دستگاه محلی کاربر تغییر می‌کند، یعنی جایی که کلید خصوصی قرار دارد و اثبات‌ها تولید می‌شوند.

اگر بدافزاری تلفن هوشمند را آلوده کند و به محفظه امنی که اثبات‌های دانش صفر در آن محاسبه می‌شوند دسترسی پیدا کند، مهاجم می‌تواند توکن‌های احراز هویت معتبر تولید کند بدون اینکه هرگز نیاز به استخراج کلید خصوصی زیربنایی داشته باشد. سرور، با دیدن یک اثبات از نظر ریاضی بی‌نقص، دسترسی را اعطا خواهد کرد، در حالی که کاملاً بی‌خبر است که اثبات توسط یک عامل مخرب که نقطه پایانی را کنترل می‌کند، تولید شده است.

پیش‌نویس گزارش ۲۰۲۳ مؤسسه ملی استانداردها و فناوری (NIST) در مورد رمزنگاری تقویت‌کننده حریم خصوصی بیان می‌کند: «پروتکل‌های دانش صفر خطر سرقت اطلاعات هویتی را از بین نمی‌برند؛ آن‌ها صرفاً آن را در دستگاه اثبات‌کننده محلی می‌کنند.» این گزارش تأکید می‌کند که در حالی که ریسک سمت سرور کاهش می‌یابد، امنیت کلی سیستم کاملاً به ایزوله‌سازی در سطح سخت‌افزار دستگاه مصرف‌کننده وابسته می‌شود.

با وجود این آسیب‌پذیری‌های نقطه پایانی، این فناوری در حال حاضر در زیرساخت‌هایی که اعتماد به سرور ذاتاً پایین است، شاهد استقرار گسترده است. شبکه اتریوم در حال حاضر از رول‌آپ‌های دانش صفر برای پردازش هزاران تراکنش خارج از زنجیره استفاده می‌کند و یک اثبات رمزنگاری واحد تولید می‌کند که کل دسته را قبل از ارسال به شبکه اصلی تأیید می‌کند. در این زمینه، سربار محاسباتی توسط مزارع سرور اختصاصی و نه تلفن‌های همراه مدیریت می‌شود.[2]

ماندگاری بلندمدت احراز هویت دانش صفر در دستگاه‌های مصرف‌کننده به تغییرات سخت‌افزاری آتی متکی است. تولیدکنندگان نیمه‌رسانا در حال حاضر در حال طراحی کمک‌پردازنده‌های رمزنگاری اختصاصی هستند که به طور خاص برای تولید zk-SNARK بهینه‌سازی شده‌اند. هنگامی که این تراشه‌ها در معماری‌های استاندارد موبایل ادغام شوند، انتظار می‌رود زمان تولید ۱.۲ ثانیه‌ای به زیر ۱۰۰ میلی‌ثانیه کاهش یابد و عملاً جریمه تأخیر را از بین ببرد.[3]

مؤسسه ملی استانداردها و فناوری قرار است دستورالعمل‌های رمزنگاری تقویت‌کننده حریم خصوصی خود را در اواخر سال ۲۰۲۵ نهایی کند. تا زمانی که آن استانداردها نحوه ایزوله‌سازی محفظه‌های تولید اثبات توسط سیستم‌عامل‌های موبایل را دیکته نکنند، این معماری یک معاوضه باقی می‌ماند: حذف خطر نقض سرور با میلیاردها رکورد، با قرار دادن کل بار امنیتی بر روی تلفنی که در جیب کاربر است.