O que é uma prova de conhecimento zero? Guia completo

As provas de conhecimento zero são uma forma altamente segura de provar conhecimento sem transmitir os dados em si. Elas são frequentemente negligenciadas em discussões sobre privacidade, apesar de seu papel no anonimato e na segurança de dados.

Independentemente de sua relativa obscuridade pública, a tecnologia, a escalabilidade e os benefícios de segurança, quando combinados com a criptografia, criam um ambiente altamente seguro para os dados.

Este artigo irá explicar o que é uma prova de conhecimento zero, como elas funcionam e onde são usadas, para que você entenda como diferem dos protocolos de criptografia tradicionais e por que são importantes em discussões sobre privacidade e segurança.

Observação: a ExpressVPN fornece ferramentas de privacidade para o consumidor, enquanto as provas de conhecimento zero são um sistema criptográfico usado em diferentes contextos. Abordamos esse tópico como parte de uma discussão mais ampla sobre privacidade digital. A ExpressVPN também aceita criptomoedas como opção de pagamento, pois alguns clientes as preferem para aumentar a privacidade durante o pagamento.

Provas de conhecimento zero explicadas: provar sem revelar

Imagine uma caverna circular com duas entradas e uma porta mágica no meio que só se abre com uma palavra secreta. Uma pessoa afirma saber a palavra, mas se recusa a revelá-la. Ela entra na caverna por um lado (você não sabe qual) e sai pelo lado que você indicar.

Se ela conseguir fazê-lo repetidas vezes, apesar de pedidos aleatórios, torna-se estatisticamente muito improvável que ela esteja apenas adivinhando e entrando na caverna pelo mesmo lado por onde você pedirá que ela saia. Isso prova que ela sabe a palavra (e, portanto, pode abrir a porta no meio da caverna se precisar chegar ao outro lado) sem nunca revelá-la.

Este é um exemplo clássico de uma prova de conhecimento zero: um desafio que permite a alguém provar que conhece um segredo, como uma senha, uma chave criptográfica ou a solução de um quebra-cabeça, sem compartilhar a informação em si.

O provador resolve desafios que só poderiam ser resolvidos corretamente se ele conhecesse o segredo que afirma conhecer. Esse mecanismo impede vazamentos, adulterações ou falsificação de identidade e torna as provas de conhecimento zero ideais para uso em identificação segura, onde a exposição de dados deve ser evitada completamente.

Configuração e processo de prova de conhecimento zero

A prova de conhecimento zero sempre envolve duas funções: a do provador e a do verificador. O provador conhece um segredo e quer convencer o verificador de que isso é verdade, sem revelar o segredo.

Isso é feito por meio de um modelo de desafio-resposta. O verificador lança um desafio aleatório baseado em um problema conhecido. O provador responde resolvendo o desafio corretamente. Dependendo de como o desafio é elaborado, isso pode significar duas coisas:

1. Há apenas uma explicação: o provador conhece o segredo subjacente.
2. Há duas explicações (como no exemplo da caverna acima): o provador conhece o segredo subjacente ou adivinhou a solução por acidente. Ao repetir o desafio várias vezes, no entanto, a probabilidade de engano diminui até se tornar insignificante (falarei mais sobre isso abaixo) — e a única explicação restante é que o provador de fato conhece o segredo subjacente.

Provas interativas x provas não interativas

O primeiro tipo de prova de conhecimento zero é chamado de não interativo. Isso porque ele requer apenas uma rodada de comunicação.

Provas não interativas, como os argumentos sucintos não interativos de conhecimento zero (zk-SNARKs), eliminam a ameaça de enganar o verificador usando funções hash criptográficas e parâmetros públicos (valores ou informações predefinidos que tanto o provador quanto o verificador conhecem e concordam antes do início do processo de prova) para evitar fraudes. Dessa forma, o verificador pode confiar no resultado sem necessidade de novas verificações.

Como não exigem que ambas as partes estejam online ao mesmo tempo, as provas não interativas são mais escaláveis ​​e funcionam bem em sistemas descentralizados onde a comunicação em tempo real não é prática.

O segundo tipo é chamado de interativo. Ele requer várias rodadas de comunicação porque tecnicamente existe uma chance de o provador adivinhar a resposta, mas essa chance se torna astronomicamente baixa após apenas algumas repetições do desafio. Vamos ver como isso funciona.

Imagine que um provador desonesto tenha 50% de chance de enganar o verificador em uma rodada de verificação (como em nosso exemplo da caverna, onde há duas saídas). Ao longo de 40 rodadas de verificação, essa chance de 50% (ou probabilidade de 0,5) se torna uma chance de 0,0000000000009094947%, que é menos de 1 em um trilhão.

Casos de uso práticos de provas de conhecimento zero

As provas de conhecimento zero podem parecer quebra-cabeças abstratos e complexos — e, quando foram introduzidos pelos criptógrafos na década de 1980, eram em grande parte apenas isto: um avanço teórico. Porém, com o tempo, os avanços na computação e na pesquisa criptográfica transformaram essa ideia em uma ferramenta prática.

A partir da década de 2010 e com aceleração ao longo da década de 2020, as provas de conhecimento zero começaram a resolver problemas do mundo real, especialmente em áreas onde a privacidade e a segurança são cruciais. Da segurança de transações em blockchain à proteção de dados de identidade sensíveis, elas agora estão no centro de tecnologias que comprovam a veracidade de algo sem revelar as informações subjacentes. Vamos dar uma olhada em como as provas de conhecimento zero estão sendo usadas atualmente.

• Blockchain e criptomoedas: as provas de conhecimento zero se tornaram amplamente adotadas e utilizadas em criptomoedas focadas em privacidade em soluções de escalabilidade de blockchain. Elas também suportam a execução de contratos inteligentes e a comprovação de fraudes, preservando a confidencialidade, reduzindo os custos de transação e melhorando a escalabilidade em redes descentralizadas.
• Verificação de identidade descentralizada: as provas de conhecimento zero permitem que os usuários comprovem atributos, como idade, cidadania e credenciais, sem expor dados pessoais. Soluções como o IDen3 usam provas de conhecimento zero para sistemas de identidade autossuficientes. Nesses sistemas, os usuários mantêm o controle sobre suas informações e compartilham apenas o necessário. Isso mantém os dados do usuário seguros e ajuda a garantir a conformidade com leis de proteção de dados, como o Regulamento Geral de Proteção de Dados (RGPD).
• Sistemas de votação seguros: pesquisadores exploraram o uso de provas de conhecimento zero em sistemas de votação verificáveis ​​de ponta a ponta, nos quais os eleitores podem confirmar se seu voto foi contabilizado sem revelar seu conteúdo. Em teoria, as provas de conhecimento zero podem ajudar a proteger o anonimato, a integridade e a auditabilidade em eleições digitais, além de servir como uma salvaguarda contra a adulteração de votos.
• Computação verificável em serviços de nuvem: as provas de conhecimento zero permitem que os provedores de nuvem comprovem que realizaram os cálculos corretamente sem revelar os dados de entrada ou saída. Isso é essencial em serviços em áreas como a saúde. Permite que os clientes terceirizem a computação, mantendo a confidencialidade, o controle dos dados e a comprovação da exatidão dos resultados.

Tipos de prova de conhecimento zero

À medida que as provas de conhecimento zero passaram da teoria para o uso no mundo real, vários tipos distintos surgiram, cada um projetado para equilibrar desempenho, segurança e escalabilidade de maneiras diferentes.

Uma das principais diferenças entre esses sistemas é se eles exigem algo chamado configuração confiável, que é um processo único que gera parâmetros criptográficos compartilhados necessários para o funcionamento do sistema.

Em sistemas como zk-SNARKs ou Permutations over Lagrange-bases for Oecumenical Noninteractive arguments of Knowledge (PLONK), essa configuração cria o que é conhecido como uma cadeia de referência comum, parte da qual deve permanecer secreta. Se esse segredo (frequentemente chamado de "lixo tóxico") for vazado ou retido por alguém envolvido na configuração, isso poderia permitir que essa pessoa criasse provas falsas que parecem válidas.

Imagine um sistema de loteria onde todos confiam que os dados são honestos. Se os dados fossem secretamente viciados durante a preparação, todo o sistema ficaria comprometido. A mesma ideia se aplica aqui: se a preparação for adulterada, a integridade das provas de conhecimento zero fica em risco.

Para reduzir esse risco, alguns projetos utilizam cerimônias complexas com múltiplas partes envolvidas para gerar os parâmetros de forma segura. Outros sistemas, como zk-STARKs e Bulletproofs, dispensam completamente a configuração de confiança, oferecendo o que é conhecido como segurança transparente, que elimina a necessidade de confiar em alguém desde o início.

Vamos analisar mais de perto os tipos de prova de conhecimento zero mais utilizados: zk-SNARKs, zk-STARKs, PLONK e Bulletproofs.

• zk-SNARKs: abreviatura de zero-knowledge succinct non-interactive argument of knowledge (argumento de conhecimento sucinto e não interativo de conhecimento zero), os zk-SNARKs permitem provas extremamente compactas e de verificação rápida. Eles exigem uma configuração confiável, mas são eficientes e funcionam muito bem para aspectos como a escalabilidade do blockchain. Dito isso, a necessidade de geração inicial de parâmetros introduz algumas maneiras teóricas de contornar a proteção dos zk-SNARKs.
• zk-STARKs: abreviação de zero-knowledge scalable transparent arguments of knowledge (argumentos de conhecimento transparentes e escaláveis ​​de conhecimento zero), os zk-STARKs oferecem transparência e segurança pós-quântica eliminando a necessidade de uma configuração confiável. Os zk-STARKs são maiores em tamanho do que os zk-SNARKs, mas escalam melhor com o aumento da complexidade computacional. Os zk-STARKs são mais indicados para a criação de ambientes altamente seguros.
• PLONK: abreviação de Permutations over Lagrange-bases for Oecumenical Noninteractive arguments of Knowledge (Permutações sobre bases de Lagrange para argumentos ecumênicos não interativos de conhecimento), o PLONK é um sistema zk-SNARK universal que suporta uma ampla gama de circuitos (que representam uma forma de expressar uma computação, como verificar uma transação ou uma senha, como um conjunto de restrições matemáticas que definem a aparência de uma computação "correta") com uma única configuração confiável. O PLONK é altamente eficiente, amigável para desenvolvedores e suporta provas recursivas (onde uma prova de conhecimento zero pode provar a validade de outra prova). Ele encontra um equilíbrio entre desempenho e flexibilidade.
• Bulletproofs: tipo de prova de conhecimento zero não interativa que não requer uma configuração de confiança e produz provas relativamente pequenas. Bulletproofs são normalmente usados para proteger transações confidenciais em sistemas blockchain, onde verificam intervalos de valores sem revelar os montantes. Eles são mais lentos para verificar, mas oferecem privacidade robusta com sobrecarga mínima. Embora a ausência de uma configuração de confiança possa parecer uma desvantagem, isso pode beneficiar a segurança ao eliminar a necessidade de suposições de confiança centralizadas.

O futuro das provas de conhecimento zero

Com as crescentes preocupações em relação à privacidade, segurança e escalabilidade de dados em sistemas tecnológicos e blockchain, as provas de conhecimento zero estão emergindo como uma ferramenta poderosa para enfrentar esses desafios. Sua capacidade de verificar informações sem expor detalhes sensíveis abre possibilidades empolgantes para o futuro das interações digitais seguras.

Web3

As provas de conhecimento zero estão se tornando um pilar fundamental da Web3, permitindo transações seguras e privadas e gerenciamento de identidade sem comprometer a descentralização. Em sistemas de criptomoedas, estão sendo exploradas como uma forma de lidar com os desafios de rastreabilidade de transações.

Quando você realiza uma transação com uma criptomoeda tradicional, sua transação aparece em um livro-razão público com informações identificáveis ​​da carteira publicadas. Isso pode verificar a prova da transação, mas cria problemas porque alguém poderia usar essas informações identificáveis ​​para rastrear suas compras, vincular corretoras de criptomoedas à sua identidade (facilmente) e, em alguns casos, até mesmo levar à perda total da sua carteira.

Os projetos da Web3 incorporam provas de conhecimento zero para escalar sistemas blockchain, mantendo a privacidade do usuário. Elas permitem uma computação verificável e autenticação anônima sem aumentar o tamanho do blockchain.

Inovações emergentes

As provas de conhecimento zero têm o potencial de transformar o aprendizado de máquina, permitindo computação e verificação com preservação da privacidade. No aprendizado de máquina tradicional, dados sensíveis são frequentemente compartilhados com modelos ou terceiros, criando riscos à privacidade. O aprendizado de máquina de conhecimento zero (ZKML) oferece uma solução, permitindo que uma parte prove que um modelo foi treinado corretamente ou que uma inferência foi realizada com precisão, sem revelar os dados subjacentes, os detalhes do modelo ou os algoritmos.

Uma aplicação importante do ZKML é a verificação de previsões de modelos de IA. Por exemplo, na área da saúde, um profissional de saúde poderia comprovar que uma previsão diagnóstica foi gerada por um modelo aprovado, utilizando os dados de um paciente, sem expor as informações do paciente ou os detalhes proprietários do modelo. De forma semelhante, no setor financeiro, uma IA para aprovação de empréstimos poderia fornecer uma prova de conhecimento zero confirmando que sua decisão seguiu o modelo e os critérios de entrada corretos, gerando confiança com reguladores e clientes sem divulgar dados financeiros sensíveis. Essas provas ajudam a garantir a integridade das previsões e a construir confiança nos sistemas de IA utilizados em tomadas de decisão críticas.

Papel nas regulamentações centradas em privacidade

As provas de conhecimento zero apoiam a conformidade com regulamentações de privacidade como o RGPD, permitindo a verificação e autenticação de dados sem revelar informações pessoais.

Ferramentas de prova de conhecimento zero oferecem alternativas aos sistemas atuais que exigem a coleta e o armazenamento de dados pessoais. Por exemplo, os EUA aprovaram leis em alguns estados que exigem a verificação de identidade para acessar sites pornográficos. A maioria das soluções atuais depende de empresas terceirizadas de coleta de dados com fins lucrativos, o que levanta questões de segurança.

As soluções de prova de conhecimento zero permitiriam que as pessoas verificassem seus direitos de acesso sem realmente compartilhar informações pessoais com o site em questão.