Vitalik phân tích giao thức che giấu (obfuscation) trong mật mã của Diamond iO, “hạ cấp” độ phức tạp của việc ẩn mã nguồn để ẩn mã nguồn

Đồng sáng lập Ethereum Vitalik Buterin vào ngày 28 tháng 7 đã đăng bài viết thứ hai trong loạt bài về mã hóa gây nhiễu trên blog chính thức của mình, phân tích cấu trúc giao thức “Diamond iO”. So với thời gian tính toán “cấp thiên hà” mà các giao thức iO phổ biến cần, Diamond iO đã thành công đưa độ phức tạp xuống “cấp hành tinh”. Vitalik cho rằng chỉ cần vài lần tối ưu quan trọng thì một số trường hợp sử dụng cụ thể có thể đạt được triển khai thương mại.

Đột phá kiến trúc Diamond iO: sức mạnh tính toán “cấp hành tinh”

(Nguồn: Vitalik.eth)

Công nghệ iO truyền thống thường thực hiện các phép toán mã hóa đồng cấu toàn phần (FHE) bên trong mã hóa thuộc tính dựa trên cơ chế gán (ABE), rồi thông qua các tầng chồng giao thức để đảm bảo người đánh giá chỉ có thể giải mã sau khi thực thi đúng. Kiến trúc này gây ra gánh nặng tính toán mang tính tàn phá. Diamond iO giải quyết vấn đề đó bằng hai chỉnh sửa cốt lõi đối với lược đồ BGG+14 ABE: giới thiệu cơ chế giải mã FHE điều kiện hoàn toàn mới và cơ chế tạo mã hóa đầu vào mới, nhờ đó cường độ tính toán tổng thể giảm mạnh xuống mức xấp xỉ mã hóa hàm (FE).

Trong quy trình vận hành, người đánh giá nhận các trợ giúp, mã hóa FHE của đầu vào ẩn z, các bit đầu vào công khai x và khóa giải mã FHE cho phạm vi nhỏ s; giao thức khéo léo sử dụng “toán tử dịch trái theo từng thùng” (Bucket-wise left shift) để co giãn trọng số bit nhằm tránh bùng nổ sai số, cuối cùng trích kết quả thông qua “cửa cạm bẫy” (Trapdoor). Cửa cạm bẫy này chỉ cho phép thông qua các phép toán đúng với hình dạng mạch được thực thi.

Giả định an ninh: Evasive LWE và All-product LWE ngăn công kích làm về số không

Phần gây tranh cãi nhưng cũng mang tính đổi mới nhất của Diamond iO nằm ở cơ chế tạo mã hóa đầu vào. Cơ chế này dựa trên hai giả định mật mã mới hơn: Evasive LWE do Wee22 đề xuất và All-product LWE duy nhất của Diamond iO. Hai giả định này giúp ngăn người đánh giá rò rỉ bí mật bằng các thao tác như phép trừ, đồng thời tránh được “công kích làm về số không” (Zeroizing attacks) từng nhiều lần đánh bại các giao thức iO gây nhiễu giai đoạn đầu.

Về mặt an ninh, giao thức sử dụng kỹ thuật “PROM bootstrap”: đảm bảo đầu vào ẩn z chứa bí mật thật cùng khóa PRF ngẫu nhiên, rồi tính toán một hàm mới có kèm độ lệch, sau đó xử lý bằng băm XOR, qua đó chuyển đổi việc gây nhiễu cho chức năng giả ngẫu nhiên thành giao thức iO phổ quát.

Vitalik thừa nhận rằng các giả định này tương đối mới và mang theo một mức rủi ro nhất định; trong tương lai vẫn cần cộng đồng mật mã đầu tư thêm công sức để phân tích và xác minh an toàn.

Hướng tối ưu trong tương lai: PRF hiệu quả hơn, giao thức FHE nâng cao và tối ưu tích hợp STARK

Hiện tại Diamond iO vướng các nút thắt hiệu năng gồm: chi phí đánh giá BGG+ (tích giữa ABE và FHE), cây Goldreich PRG nội bộ phụ thuộc sâu vào độ dài đầu vào thông qua Goldreich PRG tree, chỉ có thể chấp nhận mạch có độ sâu thấp để tránh tích lũy sai số, và cần sử dụng các tham số an ninh cỡ siêu mũ lớn. Các hướng tối ưu tương lai mà Vitalik đề xuất như sau:

· Dùng PRF hiệu quả hơn để thay thế cây Goldreich

· Chuyển sang các giao thức FHE tiên tiến hơn (như BGV/CKKS hoặc packed GSW)

· Kết hợp thêm nữa các lớp ABE và FHE để giảm chi phí

· Tối ưu có mục tiêu cho “chương trình iO hoàn chỉnh” khi kết hợp với chứng minh STARK

Ở phần kết bài, Vitalik cho biết giá trị lớn nhất của Diamond iO nằm ở chỗ cấu trúc tương đối đơn giản và dễ phân tích; các nhà phát triển không cần tinh thông mọi cấu trúc phức tạp trong 20 năm qua để hiểu lõi. Ông kỳ vọng bài viết này sẽ thu hút thêm nhiều nhà nghiên cứu tham gia phân tích an toàn và tối ưu hiệu năng.

Câu hỏi thường gặp

Độ phức tạp “cấp hành tinh” của Diamond iO cụ thể được hiểu như thế nào?

Trong bài viết, Vitalik mô tả thời gian tính toán cần thiết của các giao thức iO truyền thống là “cấp thiên hà (Galactic)”, nghĩa là mức tính toán còn dài hơn cả tuổi thọ của vũ trụ; Diamond iO đã hạ độ phức tạp xuống “cấp hành tinh (Planetary)”. Dù trong điều kiện phần cứng hiện nay vẫn chưa khả thi, nhưng nó đã rút ngắn đáng kể khoảng cách từ lý thuyết đến thực tiễn. Vitalik cho rằng sau một vài lần tối ưu quan trọng, một số trường hợp sử dụng cụ thể có thể đạt được triển khai thương mại.

Diamond iO dựa trên hai giả định mật mã mới nào, và chúng giải quyết vấn đề gì?

Diamond iO dựa trên Evasive LWE (do Wee22 đề xuất) và All-product LWE (riêng của Diamond iO). Hai giả định này ngăn hiệu quả việc người đánh giá rò rỉ bí mật thông qua các cách như phép trừ, tránh “công kích làm về số không (Zeroizing attacks)” từng nhiều lần phá vỡ các giao thức iO gây nhiễu giai đoạn đầu. Vitalik cho rằng các giả định này tương đối mới và trong tương lai cần cộng đồng mật mã tiến hành thêm phân tích an toàn.

Diamond iO hiện đang gặp các nút thắt hiệu năng chính nào?

Các nút thắt chủ yếu gồm: chi phí đánh giá BGG+ (tích giữa ABE và FHE), cây PRF nội bộ phụ thuộc sâu vào độ dài đầu vào, chỉ có thể dung nạp mạch có độ sâu thấp để ngăn sai số bùng nổ, và cần sử dụng các tham số an ninh siêu mũ lớn; các hướng cải tiến mà Vitalik đề xuất gồm PRF hiệu quả hơn, giao thức FHE nâng cao (như BGV/CKKS) và việc hợp nhất các lớp ABE và FHE.