Доказательство с нулевым разглашением и его роль в информационной безопасности

Александр Подобных, 13/11/23

Довольно часто фундаментальные исследования прошлого века обретают новую жизнь в современном мире, находя свое применение на переднем крае технологий. Одним из таких примеров стала идея доказательства с нулевым разглашением, которая органично вписалась в вопросы информационной безопасности

Автор: Александр Подобных, руководитель Санкт-Петербургского РО АРСИБ, руководитель Комитета по безопасности цифровых активов и противодействию мошенничеству, судебный эксперт

Что такое доказательство с нулевым разглашением?

Доказательство с нулевым разглашением (Zero-Knowledge Proof, ZK-доказательства, ZKP) – это криптографический протокол, который позволяет одному лицу (доказывающему) убедить другого (проверяющего) в том, что некоторое конкретное утверждение верно, не раскрывая никаких подробностей о самом утверждении. То есть одна сторона может доказать, что знает секретные данные, не раскрывая их или их детали, а вторая может только убедиться, что доказывающая сторона имеет доступ к этой информации.
Эта концепция играет важную роль в информационной безопасности вообще и в сфере блокчейн-технологий в частности. В качестве примеров ее применения можно привести аутентификацию без раскрытия пароля, проверку ПДн без их публикации, доказательство владения определенным частным ключом в блокчейне без публичного раскрытия этого ключа.

История вопроса

Идея доказательств с нулевым разглашением была предложена в работе "The Knowledge Complexity of Interactive ProofSystems" авторами Шафи Голдвассер, Сильвио Микали и Чарльз Раккофф в далеком 1985 г.
Исследователи представили новый класс протоколов интерактивных доказательств, которые позволяют одной стороне доказывать свое знание о некоторой информации без раскрытия самой информации. Этот важный концепт привлек много внимания и был затем усовершенствован в последующих работах.
Канонически доказательство с нулевым разглашением должно соответствовать следующим трем критериям:
полнота: проверяющий примет доказательство с высокой вероятностью, если утверждение истинно, а проверяющая и доказывающая сторона придерживаются протокола;
обоснованность: если утверждение не соответствует действительности, ни один доказывающий не должен быть в состоянии убедить проверяющего в обратном, за исключением случаев стечения крайне маловероятных обстоятельств;
нулевое знание: даже после взаимодействия с доказывающей стороной проверяющий понимает только истинность утверждения и ничего больше не знает о секрете.
Понятие знания играет фундаментальную роль в концепции доказательств с нулевым разглашением. Знание описывает информацию или данные, которые доказывающая сторона знает или обладает ими. Это может быть, например, секретный ключ, пароль, номер паспорта и т.п.
Доказательство знания заключается в том, чтобы, используя математические и криптографические методы, убедить проверяющую сторону, что доказывающая сторона реально обладает знанием, не раскрывая при этом сами данные или информацию.
Примером реализации идеи может служить неинтерактивный протокол ZK-SNARK (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge). Неинтерактивность в данном случае подразумевает, что доказательство представляет собой блок данных и не требует прямого взаимодействия сторон протокола.

Роль цифровой подписи в ZK-доказательствах

Цифровая подпись – это важный компонент для создания безопасных и приватных ZK-доказательств, позволяющий доказывающей стороне аутентифицировать себя и подтверждать правильность утверждений без раскрытия конфиденциальных данных. Цифровая подпись позволяет доказать, что отправитель знает закрытый ключ, который соответствует открытому ключу, используемому для верификации.
Подпись также обеспечивает подтверждение целостности данных. В ZK-доказательствах отправитель может использовать цифровую подпись для демонстрации того, что данные не были изменены после их подписания.
Цифровая подпись может использоваться в ZK-доказательствах для подтверждения правильности определенных операций без раскрытия конкретных данных. Например, отправитель может подписать хеш данных и предоставить его для верификации вместо самих данных.

Области применения

Конечно же, ZK-доказательства для повышения конфиденциальности транзакций и масштабируемости имеют важное значение в мире блокчейна как в наиболее подготовленной для инновация сфере. Они позволяют осуществлять анонимные транзакции без раскрытия их деталей или личности участников. Так работает, например, блокчейн Zcash, а сеть Ethereum использует ZK-Rollups для создания сжатых доказательств о состоянии целой группы транзакций, что позволяет значительно увеличить производительность блокчейна.
ZK-доказательства могут использоваться в полях аутентификации и контроля доступа, чтобы продемонстрировать знание пароля или криптографического ключа, не раскрывая сам пароль или ключ.
ZK-доказательства также используются в системах электронного голосования, где они позволяют избирателям продемонстрировать легитимность своего волеизъявления, не раскрывая подробностей голосования, защищая целостность избирательного процесса.
Доказательства с нулевым разглашением могут улучшить конфиденциальность транзакций в цифровых валютах центрального банка (CBDC), облегчая частные транзакции и поддерживая анонимность пользователей. Балансируя между конфиденциальностью и прозрачностью транзакций CBDC, ZKP обеспечивает возможность аудита без раскрытия специфики транзакции. Например, в технологии цифрового рубля ZKP можно использовать для повышения конфиденциальности, а также для сохранения анонимности при трансграничных переводах между разрабатываемым белорусским цифровым рублем и перспективной единой цифровой валютой БРИКС.
В качестве еще одного приложения можно привести Filecoin, децентрализованное хранилище данных, которое использует ZK-SNARK для обеспечения безопасной и эффективной проверки целостности данных, хранящихся на сети.

Недостатки

Доказательства с нулевым разглашением могут подвергаться различным видам атак:
Атака на приватность. Злоумышленник может попытаться извлечь конфиденциальную информацию, которая должна оставаться скрытой в процессе проведения ZKP. Это может произойти, если протокол ZKP не обеспечивает адекватную конфиденциальность.
Подделка доказательства. Злоумышленник может попытаться создать ложное доказательство и представить его как действительное. Протокол ZKP должен быть устойчив к подобным атакам.
Атаки на параметры. Злоумышленник может выбирать параметры так, чтобы они облегчили взлом системы: выбор ненадежных хеш-функций, кривых эллиптической криптографии и т.д.
Уязвимости в коде. Недостаточно безопасные или уязвимые реализации ZKP-протоколов могут стать точкой входа для атак.
Атаки на хеширование или криптографические алгоритмы.
Атаки на передачу данных. При передаче ZKP через сеть может существовать риск перехвата или модификации данных, что может повлиять на их целостность и конфиденциальность.
Есть и другие недостатки ZKP, не связанные с информационной безопасностью.
Разработка и проверка ZK-доказательств может быть трудоемкой с точки зрения ресурсов и вычислений, особенно для сложных вариантов реализации технологии. Увеличение времени обработки транзакций и объема вычислительной работы может затруднить масштабирование блокчейн-систем.
Кроме того, ZK-доказательства добавляют новый уровень сложности к исходной информационной системе, затрудняя ее аудит и проверку протокола. В свою очередь, это создает риск в части информационной безопасности и эксплуатации незамеченных багов.

Заключение

Уже сегодня технологию доказательства с нулевым разглашением в совокупности с блокчейнами и распределенными реестрами можно эффективно использовать в сфере защиты данных, в том числе и ПДн. При этом сами данные могут вообще не передаваться по внешней сети, а пользователь сможет в режиме онлайн отслеживать согласия на обработку.
В настоящее время у технического комитета ISO/IEC JTC 1/SC 27 Information security, cybersecurity and privacy protection находятся в разработке рекомендации по сохранению конфиденциальности, основанные на доказательствах с нулевым разглашением (ISO/IEC WD 27565.3) [1].
Этот документ будет содержать рекомендации по использованию доказательств с нулевым разглашением для улучшения конфиденциальности путем снижения рисков, связанных с совместным использованием или передачей персональных данных между организациями и пользователями, путем сведения к минимуму объема передаваемой информации. В нем будут приведены несколько функциональных требований ZKP, относящихся к целому ряду различных вариантов бизнес-использования, а затем описано, как можно использовать различные модели ZKP для надежного удовлетворения этих функциональных требований.
https://www.iso.org/standard/80398.html

www.itsec.ru