امضای حلقوی چیست؟ بررسی کامل فناوری Ring Signature

امضای حلقوی با ترکیب هوشمندانه کلیدهای عمومی و ایجاد یک سپر رمزنگاری‌شده، هویت فرستنده واقعی را در میان گروهی از کاربران کاملا پنهان می‌کند؛ همان ساختار پیچیده‌ای که هسته اصلی امنیت در ارزهای حریم‌محوری مانند مونرو را شکل داده است. در این مقاله، معماری این پروتکل امنیتی را کالبدشکافی می‌کنیم و با بررسی دقیق مکانیزم عملکرد کلیدها در تایید تراکنش، نحوه خنثی‌سازی مشکل هزینه مضاعف از طریق مکانیزم تصویر کلید و مقایسه فنی آن با سایر روش‌های رمزنگاری مانند گواه‌های اثبات دانش صفر، تصویر روشنی از مسیر پنهان‌سازی داده‌ها در نسل نوین شبکه‌های بلاک‌چینی ارائه می‌دهیم.

امضای حلقوی (Ring Signature) چیست؟

برای درک بهتر امضای حلقوی، بیایید با یک مثال در دنیای واقعی شروع کنیم. تصور کنید نامه‌ای اعتراضی از طرف کارمندان یک بخش به مدیر شرکت ارسال می‌شود. در پایین این نامه، امضای ده نفر از کارمندان وجود دارد، اما این امضاها به گونه‌ای ریاضی‌وار با هم ترکیب شده‌اند که مدیر با اطمینان می‌داند قطعا یکی از این ده نفر نامه را نوشته است، اما به هیچ وجه نمی‌تواند تشخیص دهد دقیقا کدام‌یک از آن‌ها نویسنده‌ی اصلی بوده است.

فناوری امضای حلقوی در دنیای رمزارزها دقیقا همین کار را انجام می‌دهد. این الگوریتم نوعی پیشرفته از امضای دیجیتال (Digital Signature - یک کد ریاضی منحصر‌به‌فرد که ثابت می‌کند یک تراکنش یا پیام واقعا از طرف صاحب حساب صادر شده است) به شمار می‌رود. هدف اصلی این تکنولوژی این است که به یک کاربر اجازه دهد تراکنشی را در شبکه‌ی بلاکچین انجام دهد و آن را از طرف یک گروه تایید کند، بدون اینکه هویت واقعی او از میان اعضای آن گروه فاش شود. در نتیجه، حریم خصوصی فرستنده‌ی دارایی کاملا حفظ می‌شود.

آشنایی با ساختار کلی و دلیل نام‌گذاری امضای حلقوی

شاید برای شما این سوال پیش بیاید که چرا به این روش، امضای حلقوی گفته می‌شود. دلیل این نام‌گذاری، ساختار دایره‌وار و بدون نقص این الگوریتم ریاضی است. همان‌طور که در یک حلقه‌ی فیزیکی شما نمی‌توانید نقطه‌ی شروع یا پایان را پیدا کنید، در ساختار این امضا نیز وقتی داده‌ها با هم ترکیب می‌شوند، هیچ سرنخی برای پیدا کردن فرستنده‌ی اولیه وجود ندارد.

ساختار کلی این مکانیزم به این شکل است که فرد فرستنده برای انجام تراکنش، باید کلید خصوصی (Private Key - رمز عبور محرمانه‌ی شما که به وسیله‌ی آن به دارایی‌های خود دسترسی دارید) خود را به صورت ریاضی با مجموعه‌ای از کلیدهای عمومی (Public Key - آدرس کیف پول یا شماره حساب شما که برای دریافت ارز در اختیار دیگران قرار می‌دهید) مربوط به افراد تصادفی دیگر در شبکه ترکیب کند. با این کار، یک دایره‌ی امنیتی از امضاکنندگان احتمالی تشکیل می‌شود. از دید یک فرد ناظر یا تحلیل‌گر شبکه، هر کدام از اعضای این حلقه به یک اندازه شانس این را دارند که فرستنده‌ی واقعی پول باشند.

تفاوت اصلی امضای حلقوی با امضاهای دیجیتال معمولی

برای درک بهتر ارزش این فناوری، بهترین راه این است که آن را با امضاهای دیجیتال استانداردی که در شبکه‌های معروفی مانند بیت کوین استفاده می‌شوند، مقایسه کنیم. تفاوت‌های بنیادین این دو روش به شرح زیر است:

• شفافیت کامل در برابر پنهان‌سازی هویت: در یک شبکه‌ی معمولی، وقتی شما پولی ارسال می‌کنید، امضای دیجیتال شما مستقیما به کلید عمومی شما متصل است. این یعنی همه می‌بینند که دقیقا شما فرستنده‌ی پول بوده‌اید. اما در امضای حلقوی، امضای شما با امضای چند نفر دیگر مخلوط می‌شود و هویتی که ثبت می‌شود، متعلق به کل گروه است نه فقط شخص شما.
• عدم نیاز به رضایت یا هماهنگی سایر اعضا: یکی از جذاب‌ترین ویژگی‌های این فناوری این است که فرد فرستنده نیازی به کسب اجازه از بقیه‌ی اعضای حلقه ندارد. فرستنده به سادگی کلیدهای عمومی افراد دیگر را از روی شبکه‌ی بلاک‌چین برمی‌دارد و بدون اطلاع آن‌ها، حلقه‌ی امنیتی خود را می‌سازد.
• تفاوت با امضاهای گروهی: برخلاف روش‌هایی مانند چندامضایی (Multi-signature - نوعی سیستم امنیتی که برای تایید یک تراکنش به امضا و تایید همزمان چند نفر نیاز دارد)، در امضای حلقوی نیازی به همکاری تیمی برای ارسال تراکنش نیست. در سیستم چندامضایی همه می‌دانند چه کسانی تراکنش را تایید کرده‌اند، اما در سیستم حلقوی، یک نفر به تنهایی کار را انجام می‌دهد و بقیه صرفا به عنوان پوشش امنیتی استفاده می‌شوند.

نگاهی به تاریخچه؛ ایده‌ی امضای حلقوی از کجا شکل گرفت؟

برای درک ریشه‌ی این فناوری جالب، باید سفری کوتاه به سال 2001 میلادی داشته باشیم. در آن زمان، شبکه‌ی بیت کوین و دنیای رمزارزها هنوز متولد نشده بودند، اما نیاز به حفظ حریم خصوصی در دنیای ارتباطات دیجیتال به شدت حس می‌شد. در یک کنفرانس معتبر بین‌المللی، سه دانشمند و متخصص علم رمزنگاری (Cryptography - دانشی که به طراحی کدهای امنیتی و روش‌های مخفی کردن اطلاعات می‌پردازد) به نام‌های ران ریورست، آدی شامیر و یائل تاومان، مقاله‌ی علمی جدیدی را ارائه کردند که پایه‌ی امضای حلقوی را شکل داد.

شاید برایتان جالب باشد بدانید که ایده‌ی اولیه‌ی این سه دانشمند، هیچ ارتباطی با پول، تراکنش‌های مالی یا شبکه‌ی بلاک‌چین نداشت. آن‌ها به دنبال حل یک مشکل خاص در دنیای ارتباطات بودند که بعدها به سناریوی افشاگر معروف شد. برای درک بهتر این سناریو، فرض کنید در کابینه‌ی دولت، یکی از وزرا متوجه یک فساد مالی بزرگ می‌شود و می‌خواهد این اطلاعات را به یک خبرنگار برساند. این وزیر با دو چالش بزرگ روبرو است:

• نیاز به اثبات اعتبار: او باید به خبرنگار ثابت کند که واقعا یکی از اعضای بلندپایه‌ی کابینه‌ی دولت است تا خبرنگار به صحت و اهمیت اطلاعات اعتماد کند.
• نیاز به حفظ جان و جایگاه: او نباید هویت دقیق خود را فاش کند، زیرا ممکن است شغل یا حتی جانش به خطر بیفتد.

راه حل این دانشمندان، طراحی یک فرمول ریاضی بود که به این وزیر اجازه می‌داد نامه‌ی افشاگری را از طرف کل اعضای کابینه امضا کند. با این روش ریاضی، خبرنگار با بررسی امضا مطمئن می‌شد که نامه قطعا توسط یکی از وزرا نوشته شده است، اما هرگز نمی‌توانست بفهمد دقیقا کدام وزیر این کار را کرده است. این سناریو، همان هسته‌ی اصلی و فلسفه‌ی پیدایش امضای حلقوی است.

سال‌ها بعد، وقتی فناوری ارزهای دیجیتال گسترش پیدا کرد، توسعه‌دهندگان متوجه شدند که این ایده‌ی قدیمی می‌تواند یک راهکار بی‌نظیر برای حفظ حریم خصوصی مالی باشد. به همین دلیل، در حدود سال 2014 میلادی، سازندگان ارز دیجیتال مونرو (Monero - یک ارز دیجیتال معروف که تمرکز اصلی آن بر حفظ حریم خصوصی کامل کاربران است) این فرمول‌های ریاضی را از طریق پروتکلی به نام کریپتونوت (CryptoNote) وارد کدهای برنامه‌نویسی خود کردند. از آن زمان به بعد، امضای حلقوی از یک تئوری جذاب برای محافظت از افشاگران، به یک ابزار قدرتمند و عملی برای مخفی کردن هویت فرستندگان پول در دنیای رمزارزها تبدیل شد.

مکانیزم عملکرد Ring Signature چگونه است؟

حالا که با مفهوم اولیه و تاریخچه‌ی این فناوری آشنا شدیم، وقت آن است که به زیر کاپوت این سیستم نگاهی بیندازیم و ببینیم این ساختار ریاضی دقیقا چگونه کار می‌کند. شاید در نگاه اول، مخفی کردن هویت یک نفر در یک شبکه‌ی شفاف و عمومی غیرممکن به نظر برسد، اما ترکیب هوشمندانه‌ی رمزنگاری باعث می‌شود این اتفاق به شکلی کاملا امن و بدون نقص رخ دهد.

بررسی یک مثال عملی ساده

برای درک بهتر، بیایید یک سناریوی ساده را تصور کنیم. فرض کنید شما می‌خواهید یک پیام مهم را برای مدیر ساختمان خود بفرستید و مبلغی را به عنوان شارژ پرداخت کنید، اما نمی‌خواهید مدیر متوجه شود که این پول دقیقا از طرف کدام واحد پرداخت شده است.

در یک حالت عادی، شما نام خود را زیر پیام می‌نویسید و همه چیز مشخص می‌شود. اما با استفاده از منطق امضای حلقوی، شما به جای نام خود، یک مهر مخصوص می‌سازید. برای ساخت این مهر، شما امضای دیجیتال خودتان را با امضای پنج همسایه‌ی دیگر (بدون اینکه آن‌ها خبر داشته باشند) ترکیب می‌کنید. وقتی این پیام و پول به دست مدیر می‌رسد، او با بررسی مهر متوجه می‌شود که قطعا یکی از شش واحد این ساختمان پول را پرداخت کرده است، اما هر چقدر هم که تلاش کند، نمی‌تواند بفهمد فرستنده‌ی اصلی شما بوده‌اید یا یکی از آن پنج همسایه‌ی دیگر. در دنیای رمزارزها نیز دقیقا همین اتفاق می‌افتد؛ یک نفر تراکنش را انجام می‌دهد، اما گروهی از افراد به عنوان سپر دفاعی برای پنهان کردن هویت او استفاده می‌شوند.

نقش کلیدهای عمومی و خصوصی در تشکیل حلقه‌ی امنیتی

برای اینکه این سناریو در دنیای بلاک‌چین (Blockchain - یک دفتر کل توزیع‌شده و دیجیتال که اطلاعات تراکنش‌ها را به صورت امن ثبت و نگهداری می‌کند) اجرا شود، سیستم به دو ابزار بسیار مهم نیاز دارد: کلید عمومی و کلید خصوصی.

در شبکه‌هایی که از امضای حلقوی استفاده می‌کنند، فرستنده‌ی اصلی پول باید از کلید خصوصی خودش برای تایید و انجام تراکنش استفاده کند. اما ترفند اصلی اینجاست: کیف پول فرد فرستنده، به صورت خودکار در شبکه‌ی بلاک‌چین می‌گردد و چند کلید عمومی متعلق به افراد ناشناس و تصادفی را جمع‌آوری می‌کند.

سپس، کیف پول با استفاده از فرمول‌های پیچیده‌ی ریاضی، کلید خصوصی شما را با کلیدهای عمومی آن افراد ناشناس پیوند می‌دهد. به این افراد ناشناس اصطلاحا خروجی‌های فریبنده (Decoys - داده‌های دروغین و تصادفی که برای گیج کردن سیستم‌های ردیابی و محافظت از داده‌ی اصلی در میان آن‌ها استفاده می‌شوند) می‌گویند. نتیجه‌ی این ترکیب، ایجاد یک حلقه‌ی امنیتی محکم است که در آن، امضای شما در میان امضای دیگران گم می‌شود و از بیرون هیچ تفاوتی با آن‌ها نخواهد داشت.

مرور گام‌به‌گام فرایند تایید تراکنش در امضای حلقوی

برای اینکه تصویر روشن‌تری از کل این مسیر داشته باشیم، تمام مراحل یک تراکنش را از لحظه‌ی کلیک کردن روی دکمه‌ی ارسال تا تایید نهایی، به صورت قدم‌به‌قدم مرور می‌کنیم:

• انتخاب گروه فریب‌دهنده‌ها: ابتدا نرم‌افزار کیف پول شما وارد شبکه‌ی رمزارز می‌شود و تاریخچه‌ی تراکنش‌های گذشته را بررسی می‌کند. سپس به صورت کاملا تصادفی، چند کلید عمومی (یا همان آدرس کیف پول‌های دیگر کاربران) را به عنوان فریب‌دهنده انتخاب می‌کند.
• ساخت امضای گروهی: کیف پول، کلید خصوصی شما را با این کلیدهای عمومی جمع‌آوری‌شده ترکیب می‌کند. این فرآیند ریاضی به گونه‌ای انجام می‌شود که یک امضای دیجیتال واحد و بزرگ به نام امضای حلقوی تولید می‌شود.
• ارسال به شبکه‌ی اصلی: تراکنش شما همراه با این امضای بزرگ برای نود ها (Nodes - کامپیوترهای متصل به شبکه که وظیفه‌ی بررسی و تایید تراکنش‌ها را بر عهده دارند) فرستاده می‌شود.
• تایید صحت تراکنش بدون افشای هویت: نودها با استفاده از قوانین ریاضی بررسی می‌کنند که آیا یکی از اعضای این حلقه واقعا مالک دارایی هست و حق خرج کردن آن را دارد یا خیر. آن‌ها به راحتی می‌توانند صحت امضا را تایید کنند و تراکنش را با موفقیت در دفتر کل ثبت کنند، بدون اینکه هرگز متوجه شوند کدام کلید متعلق به فرستنده‌ی واقعی بوده است.

کاربرد امضای حلقوی در ارزهای دیجیتال و شبکه‌های بلاک‌چین

وقتی نام ارزهای دیجیتال به میان می‌آید، اولین چیزی که به ذهن می‌رسد، شفافیت است. در شبکه‌هایی مانند بیت کوین، تمام اطلاعات تراکنش‌ها به صورت عمومی ثبت می‌شود و همه می‌توانند آن‌ها را مشاهده کنند. اما این شفافیت همیشگی، گاهی اوقات می‌تواند دردسرساز شود و حریم شخصی افراد را از بین ببرد. به همین دلیل، امضای حلقوی به عنوان یک سپر دفاعی وارد این فضا شد تا حریم خصوصی کاربران را به آن‌ها برگرداند. در این بخش بررسی می‌کنیم که این فناوری چگونه در دنیای واقعی و شبکه‌های دیجیتال استفاده می‌شود.

حفظ حریم خصوصی کاربران در اکوسیستم‌های غیرمتمرکز

در یک اکوسیستم غیرمتمرکز (Decentralized Ecosystem - یک سیستم مالی یا شبکه‌ی ارتباطی که توسط هیچ شخص، شرکت یا دولت مرکزی کنترل نمی‌شود و مدیریت آن بر عهده‌ی خود کاربران است)، شما بانک یا موسسه‌ی مالی ندارید که اطلاعات شما را مخفی نگه دارد. در این شبکه‌ها، دفتر کل تراکنش‌ها در دسترس همه‌ی افراد قرار دارد.

برای درک اهمیت این موضوع، تصور کنید هر بار که در یک فروشگاه با کارت بانکی خود خرید می‌کنید، فروشنده و تمام مشتریان دیگر بتوانند موجودی کل حساب شما و تمام خریدهای گذشته‌ی شما را ببینند! این دقیقا همان اتفاقی است که در بلاک‌چین‌های عمومی رخ می‌دهد. اگر کسی آدرس کیف پول شما را بداند، به راحتی می‌تواند تمام تاریخچه‌ی مالی شما را زیر نظر بگیرد.

کاربرد اصلی امضای حلقوی در این فضا، کشیدن یک پرده‌ی محافظ روی اطلاعات فرستنده است. با استفاده از این فناوری، کاربران می‌توانند به راحتی در شبکه‌های غیرمتمرکز فعالیت کنند، پول جابجا کنند و خریدهای خود را انجام دهند، بدون اینکه نگران فاش شدن تاریخچه‌ی مالی و هویت خود باشند. این موضوع برای شرکت‌های بزرگ، تاجران و حتی افراد عادی که دوست ندارند میزان سرمایه‌ی آن‌ها زیر ذره‌بین دیگران باشد، یک ویژگی حیاتی محسوب می‌شود.

نقش امضای حلقوی در ارزهای دیجیتال حریم‌محور

بهترین و موفق‌ترین نمونه‌ی استفاده از این فناوری را می‌توان در ارزهای دیجیتال حریم‌محور (Privacy Coins - دسته‌ای خاص از رمزارزها که هدف و تمرکز اصلی آن‌ها، مخفی نگه‌داشتن کامل هویت فرستنده، گیرنده و مبلغ تراکنش است) مشاهده کرد. پادشاه بی‌رقیب این دسته از ارزها، شبکه‌ی مونرو است.

توسعه‌دهندگان مونرو از همان ابتدا، امضای حلقوی را در هسته‌ی مرکزی شبکه‌ی خود قرار دادند تا به کاربرانشان اطمینان دهند که هیچ‌کس، حتی دولت‌ها و شرکت‌های تحلیل‌گر بلاک‌چین، نمی‌تواند آن‌ها را ردیابی کند. برای درک بهتر نقش این فناوری در شبکه‌ی مونرو، به این ویژگی‌های کلیدی دقت کنید:

• ترکیب خودکار و اجباری: در شبکه‌ی مونرو، استفاده از امضای حلقوی یک انتخاب نیست، بلکه یک قانون اجباری برای تمام تراکنش‌ها است. وقتی شما مقداری ارز ارسال می‌کنید، کیف پول شما به صورت کاملا خودکار، امضای شما را با اطلاعات چندین کاربر دیگر در شبکه مخلوط می‌کند تا یک حلقه‌ی امنیتی ساخته شود.
• محافظت از هویت فرستنده: همان‌طور که پیش‌تر اشاره کردیم، این ترکیب اطلاعات باعث می‌شود که افراد ناظر نتوانند تشخیص دهند کدام آدرس واقعا پول را ارسال کرده است و کدام آدرس‌ها صرفا برای فریب دادن شبکه به این حلقه اضافه شده‌اند.
• ایجاد سکه‌های پاک و برابر: در شبکه‌ای مثل بیت کوین، اگر یک سکه در گذشته برای کارهای غیرقانونی استفاده شده باشد، تاریخچه‌ی آن برای همیشه ثبت می‌شود و ممکن است صرافی‌ها آن سکه‌ی خاص را مسدود کنند. اما در مونرو، به دلیل استفاده از امضای حلقوی، تاریخچه‌ی انتقال سکه‌ها به هیچ وجه قابل پیگیری نیست. این یعنی تمام سکه‌های مونرو تاریخچه‌ی پنهانی دارند و ارزش آن‌ها کاملا با یکدیگر برابر است.

بررسی جامع نقاط قوت و ضعف تکنولوژی امضای حلقوی

هر فناوری جدیدی که وارد دنیای دیجیتال می‌شود، در کنار تمام امکانات مفیدی که ارائه می‌دهد، چالش‌ها و هزینه‌های خاص خودش را هم دارد. امضای حلقوی نیز همینطور است. برای اینکه دیدگاه دقیق‌تری نسبت به این مکانیزم امنیتی داشته باشیم، در این بخش به صورت بی‌طرفانه و شفاف، مزایا و معایب آن را بررسی می‌کنیم تا متوجه شویم چرا این سیستم با وجود امنیت بالا، در تمام ارزهای دیجیتال استفاده نمی‌شود.

مزایای امضای حلقوی

دلیل اصلی توجه کارشناسان به این فناوری، نقاط قوت منحصربه‌فرد آن در محافظت از اطلاعات کاربران است. مهم‌ترین مزایای این سیستم عبارتند از:

• محرمانگی و ناشناس بودن قطعی: همان‌طور که در بخش‌های قبل یاد گرفتیم، این سیستم به بهترین شکل ممکن هویت فرستنده‌ی پول را در میان گروهی از کاربران مخفی می‌کند. این ویژگی برای سرمایه‌گذارانی که دوست ندارند میزان دارایی و خریدهایشان زیر ذره‌بین دیگران باشد، یک مزیت بسیار بزرگ است.
• استقلال کامل فرستنده در انجام تراکنش: در بسیاری از سیستم‌های امنیتی گروهی، شما برای تایید یک عملیات به همکاری و حضور آنلاین دیگران نیاز دارید. اما در امضای حلقوی، فرستنده به تنهایی و بدون نیاز به کسب اجازه یا حتی اطلاع دادن به سایر اعضای شبکه، حلقه‌ی امنیتی خود را می‌سازد و تراکنش را انجام می‌دهد.
• ارتقای قابلیت تعویض‌پذیری: (Fungibility - ویژگی مهمی که باعث می‌شود ارزش تمام واحدهای یک پول با هم برابر باشد) در شبکه‌ای مانند بیت کوین، اگر یک سکه در گذشته در یک فعالیت غیرقانونی استفاده شده باشد، تاریخچه‌ی آن برای همیشه مشخص است و ممکن است صرافی‌ها آن سکه را مسدود کنند و ارزش آن افت کند. اما امضای حلقوی با مخفی کردن مسیر حرکت پول، باعث می‌شود تمام سکه‌های شبکه‌ی رمزارز تاریخچه‌ای نامشخص و ارزشی کاملا مساوی داشته باشند.

معایب تکنولوژی امضای حلقوی

با وجود تمام این مزایای جذاب، پنهان کردن هویت هزینه‌هایی هم برای شبکه‌ی نرم‌افزاری به همراه دارد. چالش‌های اصلی این فناوری شامل موارد زیر است:

• افزایش شدید حجم تراکنش‌ها: وقتی شما برای پنهان کردن هویت خود، اطلاعات خود را با چندین امضای دیگر ترکیب می‌کنید، داده‌های بسیار بیشتری تولید می‌شود. این موضوع باعث می‌شود حجم تراکنش (Transaction Size - میزان فضایی که اطلاعات یک نقل‌ونقل مالی در حافظه‌ی شبکه اشغال می‌کند) بسیار بزرگتر از یک تراکنش معمولی و شفاف باشد.
• کاهش مقیاس‌پذیری شبکه: (Scalability - توانایی سیستم برای پردازش سریع و همزمان تعداد زیادی تراکنش بدون افت کیفیت) به دلیل بزرگ بودن حجم داده‌ها در امضای حلقوی، فضای خالی بلاک‌چین خیلی زودتر پر می‌شود و شبکه به سرعت سنگین می‌گردد. این سنگینی داده‌ها باعث می‌شود شبکه‌های حریم‌محور نتوانند در یک ثانیه به اندازه‌ی شبکه‌های معمولی تراکنش پردازش کنند.
• پیچیدگی محاسباتی و زمان‌بر بودن پردازش: ساختن یک امضای گروهی و سپس بررسی صحت آن توسط کامپیوترهای شبکه، نیازمند حل معادلات ریاضی بسیار پیچیده‌تری نسبت به امضاهای ساده است. این یعنی دستگاه‌ها باید زمان و قدرت پردازشی بیشتری صرف کنند تا یک تراکنش مبتنی بر امضای حلقوی را پردازش و تایید کنند.

جدول بررسی و مقایسه سریع مزایا و معایب امضای حلقوی

برای مرور سریع‌تر مفاهیمی که در این بخش یاد گرفتیم، می‌توانید نگاهی به جدول زیر بیندازید که خلاصه‌ای از نقاط قوت و ضعف این فناوری را در کنار هم نشان می‌دهد:

نقاط قوت (مزایا)	نقاط ضعف (معایب)
حفظ کامل حریم خصوصی و پنهان‌سازی هویت فرستنده‌ی اصلی	افزایش چشمگیر حجم داده‌های هر تراکنش در شبکه
عدم نیاز به هماهنگی و آنلاین بودن سایر کاربران برای تایید	سنگین شدن شبکه‌ی بلاک‌چین و افت توانایی پردازش همزمان
ایجاد قابلیت تعویض‌پذیری و پاک کردن تاریخچه‌ی ارزها	نیاز به قدرت پردازشی بالاتر برای ساخت و تایید کدهای رمزنگاری
محافظت موثر در برابر تحلیل‌گران و شرکت‌های ردیابی داده	ایجاد محدودیت‌های فنی برای رشد و توسعه‌ی آینده‌ی شبکه

چالش هزینه مضاعف (Double-Spending) در امضاهای حلقوی

پنهان کردن هویت کاربران در شبکه‌های مالی، شبیه به یک شمشیر دو لبه است. از یک طرف حریم خصوصی افراد در دنیای رمزارز حفظ می‌شود، اما از طرف دیگر راه را برای سوءاستفاده‌های احتمالی باز می‌کند. یکی از بزرگترین خطراتی که سیستم‌های ناشناس را تهدید می‌کند، مشکلی است که در دنیای مالی دیجیتال به آن هزینه مضاعف (Double-Spending - تقلب دیجیتالی که در آن یک کاربر تلاش می‌کند یک دارایی یا سکه‌ی دیجیتال را همزمان در دو جای مختلف خرج کند) می‌گویند. در این بخش بررسی می‌کنیم که این مشکل چگونه در سیستم‌های دارای امضای حلقوی به وجود می‌آید و چه راه‌حل هوشمندانه‌ای برای خنثی کردن آن طراحی شده است.

مشکل دوبار خرج کردن چگونه در شبکه‌های ناشناس ایجاد می‌شود؟

برای درک این مشکل، ابتدا باید بدانیم شبکه‌های شفاف مانند بیت کوین چگونه جلوی این تقلب را می‌گیرند. در شبکه‌ی بیت کوین، دفتر کل به صورت واضح نشان می‌دهد که فلان سکه از حساب شخص الف به حساب شخص ب منتقل شده است. اگر شخص الف بخواهد همان سکه را دوباره برای شخص ج بفرستد، شبکه به راحتی متوجه می‌شود که این سکه قبلا خرج شده است و تراکنش دوم را فورا رد می‌کند.

اما در شبکه‌ای که از امضای حلقوی استفاده می‌کند، اوضاع کاملا متفاوت است. در این سیستم، ما نمی‌دانیم فرستنده‌ی واقعی چه کسی است. وقتی یک کاربر ناشناس تراکنشی انجام می‌دهد، هویت او در میان چند کاربر دیگر پنهان می‌شود. حالا چه چیزی مانع می‌شود که همین کاربر، دوباره از همان سکه استفاده کند و یک حلقه‌ی امنیتی جدید بسازد؟ از آنجایی که نودها (کامپیوترهای تاییدکننده‌ی شبکه) نمی‌دانند فرستنده‌ی اصلی پول در حلقه‌ی اول چه کسی بوده است، منطقا نباید بتوانند تشخیص دهند که آیا این سکه قبلا در شبکه‌ی رمزارز خرج شده است یا خیر. این دقیقا همان چالشی است که می‌توانست کل اعتبار و امنیت شبکه‌های حریم‌محور را زیر سوال ببرد.

آشنایی با راهکار تصویر کلید (Key Image) برای جلوگیری از تقلب

برای حل این مشکل بزرگ، توسعه‌دهندگان به یک ترفند ریاضی بسیار جذاب و پیچیده روی آوردند و مفهومی به نام تصویر کلید (Key Image - یک کد ریاضی منحصر‌به‌فرد که از کلید خصوصی فرستنده ساخته می‌شود و مانند اثر انگشت یک‌بار مصرف برای هر تراکنش عمل می‌کند) را خلق کردند.

وقتی شما می‌خواهید با استفاده از امضای حلقوی پولی را ارسال کنید، نرم‌افزار به طور خودکار این تصویر کلید را تولید می‌کند. مکانیزم عملکرد این اثر انگشت دیجیتال برای حفظ امنیت شبکه به شکل زیر است:

• ارتباط مستقیم با کلید خصوصی: هر تصویر کلید منحصرا بر اساس کلید خصوصی فرستنده‌ی واقعی ساخته می‌شود. این یعنی امکان ندارد دو کلید خصوصی متفاوت، تصویر کلید یکسانی تولید کنند.
• حفظ کامل حریم خصوصی: با وجود اینکه تصویر کلید از روی کلید خصوصی شما ساخته می‌شود، اما فرمول‌های ریاضی آن به گونه‌ای طراحی شده‌اند که هیچ‌کس نمی‌تواند با در اختیار داشتن این تصویر کلید، به هویت شما یا اطلاعات کلید خصوصی شما پی ببرد. مسیر این فرمول کاملا یک‌طرفه است.
• ثبت در دفتر کل شبکه: زمانی که شما تراکنش خود را به همراه امضای حلقوی می‌فرستید، تصویر کلید نیز به شبکه‌ی بلاک‌چین ارسال می‌شود. کامپیوترهای شبکه، لیستی از تمام تصویر کلیدهای استفاده شده در گذشته را به صورت عمومی ذخیره می‌کنند.
• رد و مسدودسازی تراکنش‌های تکراری: حالا اگر شما بخواهید همان سکه‌ی دیجیتال را دوباره خرج کنید، سیستم کیف پول ارز دیجیتال شما مجبور است دقیقا همان تصویر کلید قبلی را دوباره تولید کند. وقتی تراکنش جدید به شبکه می‌رسد، کامپیوترها لیست خود را بررسی می‌کنند. به محض اینکه ببینند این تصویر کلید قبلا در شبکه‌ی ما استفاده و ثبت شده است، بدون اینکه نیازی به دانستن هویت شما داشته باشند، تراکنش تقلبی را مسدود می‌کنند.

به زبان ساده‌تر، تصویر کلید مانند مهری است که در روز انتخابات روی دست شما می‌زنند تا نشان دهند شما رای داده‌اید. هیچ‌کس نمی‌داند شما برگه‌ی رای خود را به نام چه کسی پر کرده‌اید (حفظ حریم خصوصی)، اما اگر دوباره در صف حوزه‌ی رای‌گیری بایستید، ناظران متوجه مهر روی دست شما می‌شوند و اجازه نمی‌دهند دوباره رای بدهید (جلوگیری از هزینه مضاعف). با این روش هوشمندانه، امضای حلقوی موفق شد بدون فاش کردن هویت افراد، جلوی دوبار خرج کردن دارایی‌ها را بگیرد.

مقایسه Ring Signature با سایر تکنیک‌های حفظ حریم خصوصی

تا اینجای کار متوجه شدیم که امضای حلقوی ابزار قدرتمندی برای مخفی نگه داشتن هویت فرستنده است. اما در دنیای رمزارزها، توسعه‌دهندگان بیکار ننشسته‌اند و الگوریتم‌های متنوع دیگری نیز برای حفظ امنیت و حریم خصوصی طراحی کرده‌اند. برای اینکه دیدگاه عمیق‌تری نسبت به این فناوری پیدا کنید، در این بخش امضای حلقوی را با دو تکنولوژی بسیار معروف دیگر مقایسه می‌کنیم تا تفاوت‌ها و کاربرد دقیق هر کدام را بهتر بشناسید.

امضای حلقوی در برابر امضای چندامضایی (Multi-signature)

گاهی اوقات کاربران تازه‌کار این دو مفهوم را با هم اشتباه می‌گیرند، زیرا در نام هر دو به نوعی گروه و تعداد زیادی امضا اشاره شده است. چندامضایی (Multi-signature - نوعی سیستم امنیتی پیشرفته که در آن برای تایید نهایی یک نقل‌وانتقال مالی، به موافقت و امضای همزمان چند کاربر نیاز است) روشی است که معمولا توسط صرافی‌ها یا شرکت‌های سرمایه‌گذاری استفاده می‌شود. برای درک تفاوت بنیادین این دو، یک صندوق گاوصندوق را تصور کنید:

• در سیستم چندامضایی: شما و دو شریک کاری خود یک گاوصندوق مشترک دارید. روی این گاوصندوق سه قفل مجزا وجود دارد و برای باز کردن در آن، باید هر سه نفر شما همزمان کلیدهای خود را وارد کنید. در این روش، هدف توزیع قدرت و جلوگیری از کلاهبرداری یک‌طرفه است و همه دقیقا می‌دانند چه کسانی گاوصندوق را باز کرده‌اند. در اینجا هیچ هویتی مخفی نیست و شفافیت کامل وجود دارد.
• در سیستم امضای حلقوی: شما به تنهایی صاحب صندوق هستید و کلید فقط دست شماست. اما وقتی می‌خواهید در صندوق را باز کنید، سیستم به طور خودکار چهره‌ی شما را با چهره‌ی پنج رهگذر تصادفی ترکیب می‌کند. نگهبان بانک می‌بیند که قطعا یکی از این شش چهره صندوق را باز کرده، اما نمی‌تواند هویت اصلی شما را تشخیص دهد. در این روش، شما نیازی به اجازه‌ی آن رهگذران ندارید و هدف اصلی، فقط و فقط پنهان کردن هویت فردی شماست.

امضای حلقوی در برابر گواه‌های اثبات دانش صفر (zk-SNARKs)

رقیب اصلی و بسیار سرسخت امضای حلقوی در زمینه‌ی حفظ حریم خصوصی، تکنولوژی گواه‌های اثبات دانش صفر (zk-SNARKs - یک روش بسیار پیچیده‌ی رمزنگاری که به شما اجازه می‌دهد درستی یک ادعا را ثابت کنید، بدون اینکه هیچ اطلاعات اضافه‌ای درباره‌ی آن ادعا فاش کنید) است. این فناوری جذاب بیشتر در شبکه‌ی ارز دیجیتال زی‌کش (Zcash) کاربرد دارد.

برای درک شیوه‌ی کار این دو و تفاوت‌هایشان، بیایید از یک استعاره‌ی ساده کمک بگیریم. فرض کنید می‌خواهید به نگهبان یک ساختمان ثابت کنید که رمز عبور در ورودی را می‌دانید، اما اصلا دوست ندارید رمز را جلوی او به زبان بیاورید یا هویت خودتان فاش شود.

• رویکرد امضای حلقوی: شما خودتان را در میان گروهی از ده نفر پنهان می‌کنید. یک نفر از بین این گروه (که شما هستید) در را باز می‌کند. نگهبان می‌بیند که رمز درست وارد شده و در باز است، اما نمی‌داند کار کدام یک از شما ده نفر بوده است. حریم خصوصی شما با گم شدن در شلوغی جمعیت حفظ می‌شود.
• رویکرد اثبات دانش صفر: در این روش اصلا صفی در کار نیست. شما یک معادله‌ی پیچیده‌ی ریاضی را حل می‌کنید که جواب آن فقط و فقط در صورتی به دست می‌آید که شما رمز در را بدانید. شما جواب این معما را به نگهبان می‌دهید. نگهبان با بررسی جواب، صددرصد مطمئن می‌شود که شما رمز را بلدید، بدون اینکه هرگز خود کلمه‌ی عبور را شنیده باشد.

اثبات دانش صفر امنیت قطعی‌تر و کامل‌تری دارد و نیازی به گروه فریب‌دهنده‌ها ندارد، اما در مقابل، فرآیند راه‌اندازی و انجام محاسبات ریاضی آن بسیار سنگین‌تر، کندتر و پیچیده‌تر از امضای حلقوی است.

جدول مقایسه شباهت‌ها، تفاوت‌ها و کاربردهای الگوریتم‌های حریم خصوصی

برای اینکه اطلاعات این بخش را راحت‌تر به خاطر بسپارید، در جدول زیر ویژگی‌های کلیدی این سه فناوری را به صورت خلاصه و در کنار هم مقایسه کرده‌ایم:

ویژگی سیستم	امضای حلقوی (Ring Signature)	اثبات دانش صفر (zk-SNARKs)	امضای چندامضایی (Multi-signature)
هدف اصلی طراحی	پنهان کردن هویت فرستنده‌ی پول	مخفی کردن فرستنده، گیرنده و مبلغ	مدیریت مشترک دارایی و امنیت تیمی
روش عملکرد	ترکیب اطلاعات کاربر با افراد تصادفی	اثبات ریاضی بدون افشای داده‌ها	تایید تراکنش توسط چند کلید مشخص
نیاز به همکاری دیگران	خیر (گروه بدون اطلاع خودشان انتخاب می‌شوند)	خیر (مستقل انجام می‌شود)	بله (همه شرکا باید توافق کنند)
سطح مخفی ماندن	بالا (بستگی به بزرگی حلقه‌ی افراد دارد)	بسیار بالا و قطعی	بسیار پایین (کاملا شفاف است)
نمونه کاربرد در بازار	ارز دیجیتال مونرو (Monero)	ارز دیجیتال زی‌کش (Zcash)	کیف پول‌های مشترک و صرافی‌ها

کاربردهای واقعی امضای حلقوی خارج از دنیای رمزارزها

بیشتر ما امضای حلقوی را به عنوان یک ابزار قدرتمند برای مخفی کردن تراکنش‌ها در دنیای ارزهای دیجیتال می‌شناسیم. اما جالب است بدانید که این الگوریتم ریاضی در ابتدا اصلا برای پول یا شبکه‌های مالی طراحی نشده بود! قدرت اصلی این فناوری در پنهان کردن هویت افراد در میان یک گروه است، بنابراین هر جایی که نیاز به تایید یک ادعا بدون فاش شدن نام شخص داشته باشیم، این تکنولوژی می‌تواند به کمک ما بیاید. در ادامه به دو مورد از مهم‌ترین کاربردهای این فناوری در دنیای واقعی و خارج از فضای بازارهای مالی دیجیتال می‌پردازیم.

نقش امضای حلقوی در سیستم‌های رای‌گیری الکترونیکی و محافظت از افشاگران

ایده‌ی اولیه‌ی خلق این روش رمزنگاری، حل کردن مشکلات امنیتی در ارتباطات انسانی بود. دو حوزه‌ی بسیار مهم که امضای حلقوی می‌تواند در آن‌ها تحول ایجاد کند عبارتند از:

• سیستم‌های رای‌گیری الکترونیکی (E-voting): یکی از بزرگترین چالش‌ها در برگزاری انتخابات دیجیتال، حفظ همزمان دو ویژگی متضاد است: شفافیت شبکه و حریم خصوصی افراد. برگزارکنندگان انتخابات باید مطمئن شوند که فقط افراد واجد شرایط رای داده‌اند و هیچ‌کس بیش از یک بار رای نداده است. از طرف دیگر، رای‌دهندگان می‌خواهند مطمئن باشند که هیچ‌کس نمی‌فهمد آن‌ها دقیقا به چه کسی رای داده‌اند.

امضای حلقوی این مشکل را به زیبایی حل می‌کند. وقتی شما رای خود را به صورت دیجیتال ثبت می‌کنید، سیستم، امضای شما را با امضای هزاران فرد واجد شرایط دیگر در همان حوزه‌ی انتخاباتی ترکیب می‌کند. نهاد ناظر با بررسی این فرمول ریاضی متوجه می‌شود که این رای قطعا متعلق به یکی از شهروندان مجاز است. همچنین به لطف همان ترفند تصویر کلید (که در بخش جلوگیری از هزینه‌ی مضاعف یاد گرفتیم)، اگر کسی بخواهد دوباره رای بدهد، سیستم به صورت خودکار متوجه تکراری بودن این اقدام می‌شود و جلوی او را می‌گیرد، بدون اینکه هرگز نام اصلی رای‌دهنده فاش شود.

• محافظت از افشاگران (Whistleblowers): افشاگر به فردی گفته می‌شود که اطلاعات محرمانه مربوط به فساد یا تخلف در یک سازمان یا دولت را برای آگاهی عموم فاش می‌کند. بزرگترین ترس یک افشاگر، شناسایی شدن و به خطر افتادن جان یا جایگاه شغلی او است. همان‌طور که در بخش نگاهی به تاریخچه اشاره کردیم، این دقیقا همان سناریویی بود که باعث اختراع امضای حلقوی شد.

فرض کنید کارمند یک سازمان بزرگ می‌خواهد اسنادی از یک اختلاس را برای یک روزنامه‌نگار بفرستد. اگر نام خود را پای سند بنویسد، فورا اخراج می‌شود. اگر بدون هیچ نام و نشان و امضایی سند را بفرستد، روزنامه‌نگار به صحت اسناد شک می‌کند و ممکن است فکر کند این پیام یک دروغ است.

اما با استفاده از امضای حلقوی، این کارمند می‌تواند با استفاده از کلیدهای عمومی تمام کارمندان آن سازمان، یک امضای گروهی بسازد و روی سند قرار دهد. روزنامه‌نگار با بررسی امضا صددرصد مطمئن می‌شود که این سند قطعا توسط یکی از کارمندان داخلی سازمان فرستاده شده است و اعتبار دارد، اما مدیر سازمان هرگز نمی‌تواند بفهمد دقیقا کدام یک از کارمندان این اطلاعات را به بیرون درز داده است. در نتیجه، سپر امنیتی مستحکمی برای محافظت از فرد افشاگر ایجاد می‌شود.

آینده امضای حلقوی؛ مسیر پیش‌روی این فناوری و توسعه بلاک‌چین‌های نوین

همان‌طور که در بخش‌های قبلی یاد گرفتیم، امضای حلقوی یک راهکار بی‌نظیر و قدرتمند برای حفظ حریم خصوصی است، اما مسیر پیش‌روی این فناوری کاملا هموار و بدون مانع نیست. با گسترش روزافزون استفاده از شبکه‌های بلاک‌چین و ورود کاربران جدید، توسعه‌دهندگان باید برای زنده نگه داشتن این تکنولوژی، مشکلات فعلی آن را حل کنند و آن را برای چالش‌های دنیای آینده آماده سازند.

در حال حاضر، متخصصان و برنامه‌نویسان شبکه‌های حریم‌محور در حال کار روی چند مسیر اصلی برای توسعه‌ی این الگوریتم هستند:

• کاهش حجم داده‌ها و افزایش سرعت پردازش: همان‌طور که بررسی کردیم، یکی از بزرگترین مشکلات امضای حلقوی، سنگین کردن شبکه‌ی رمزارز بود. نسل جدید بلاک‌چین‌ها به دنبال استفاده از روش‌های بهینه‌سازی رمزنگاری (Cryptography Optimization - تلاش برای کوچک‌تر کردن حجم کدهای ریاضی تا شبکه بتواند تراکنش‌های بیشتری را در زمان کمتری و با هزینه‌ی پایین‌تری پردازش کند) هستند تا بتوانند بدون کاهش سطح امنیت، حجم این امضاها را کم کنند.
• مقاومت در برابر کامپیوترهای کوانتومی: با پیشرفت سریع علم، کامپیوترهای فوق‌پیشرفته‌ی آینده ممکن است بتوانند قفل‌های رمزنگاری امروزی را در چند ثانیه بشکنند. به همین دلیل، محققان از هم‌اکنون در حال توسعه‌ی روش‌های رمزنگاری پساکوانتومی (Post-Quantum Cryptography - الگوریتم‌های ریاضی بسیار پیچیده و جدیدی که حتی قدرتمندترین کامپیوترهای آینده نیز نتوانند آن‌ها را هک کنند) برای امضاهای حلقوی هستند تا امنیت شبکه‌های حریم‌محور برای دهه‌های آینده نیز تضمین شود.
• چالش قانون‌گذاری و فشارهای دولتی: یکی از بزرگترین موانع بر سر راه توسعه‌ی امضای حلقوی، مخالفت دولت‌ها است. سازمان‌های نظارتی تمایلی به شبکه‌های کاملا ناشناس ندارند، زیرا نگران استفاده از آن‌ها برای کارهای غیرقانونی و فرار مالیاتی هستند. در آینده، توسعه‌دهندگان ممکن است مجبور شوند راهی برای ایجاد تطابق قانونی (Compliance - ایجاد هماهنگی نرم‌افزار با قوانین مالی و مالیاتی کشورها) پیدا کنند. هدف این است که راهکاری خلق شود تا حریم خصوصی کاربران عادی حفظ شود، اما در صورت نیاز قانونی و حکم دادگاه، امکان بررسی جریان‌های مالی مشکوک وجود داشته باشد.

در نهایت، آینده‌ی امضای حلقوی به این موضوع بستگی دارد که چقدر بتواند بین حفظ حریم خصوصی، سرعت بالا در تایید تراکنش‌ها و پذیرش توسط قانون‌گذاران جهانی یک تعادل منطقی ایجاد کند. به احتمال زیاد، در آینده شاهد ترکیب این فناوری با سایر الگوریتم‌های امنیتی خواهیم بود تا نسل جدیدی از بلاک‌چین‌های نوین متولد شوند که هم بسیار سریع هستند و هم حریم خصوصی کاربران را به ایمن‌ترین شکل ممکن حفظ می‌کنند.

منابع:

Gate

Wikipedia

Medium.com