مرتكزات التشفير المتماثل الشكل

مقدمة إلى التشفير المتجانس الكامل (Homomorphic Encryption)

يمثل التشفير المتجانس الكامل تقنية متقدمة في علم التشفير تسمح بإجراء العمليات الحسابية على البيانات المشفرة دون الحاجة إلى فك تشفيرها مسبقاً. تظل نتائج هذه العمليات محمية بالتشفير ولا يتم كشفها إلا بواسطة حامل المفتاح المناسب. وتكمن أهمية هذه الخاصية في إتاحة معالجة المعلومات الحساسة مع الحفاظ على خصوصيتها طوال دورة المعالجة الحسابية. نشأت فكرة العمليات الحسابية على النص المشفر في سبعينيات القرن الماضي، لكن بناء Craig Gentry لنظام التشفير المتجانس الكامل (FHE) عام 2009 هو ما انتقل بهذا المفهوم من نطاق النظريات إلى البحث والتطبيق العملي.

تصنَّف حلول التشفير المتجانس إلى ثلاثة أنواع رئيسية؛ التشفير المتجانس الجزئي (PHE) يدعم إمّا الجمع أو الضرب فقط وليس كليهما، ومن أبرز أمثلته RSA وElGamal. بينما تتيح الأنظمة شبه المتجانسة (SHE) إجراء عمليات محدودة من الجمع والضرب، لكنها تصبح غير عملية عند الحسابات الطويلة بسبب تضخّم التشويش. أما التشفير المتجانس الكامل فيدعم جميع العمليات الحسابية التعسفية على البيانات المشفرة، ويعتبر الأكثر قوة ولكنه يتطلب موارد حسابية عالية.

الميزة الجوهرية التي تميز FHE عن تقنيات تعزيز الخصوصية الأخرى هي القدرة على إبقاء التشفير فعالاً خلال كل مراحل استخدام البيانات. غالباً ما تحمي الأساليب الكلاسيكية البيانات أثناء التخزين والنقل، لكنها تستلزم فك التشفير أثناء المعالجة الحسابية، مما يعرض البيانات لمخاطر التسرب أو إساءة الاستخدام. يزيل FHE هذا الخطر من خلال إبقاء البيانات مشفرة حتى أثناء المعالجة الفعلية، وهي نقطة جوهرية في بيئات الحوسبة الموزعة وغير الموثوقة مثل سلاسل الكتل العامة.

أهمية التشفير المتجانس الكامل لسلاسل الكتل (Blockchain)

تتميز سلاسل الكتل بمبدأ الشفافية؛ فجميع المشاركين يشاهدون المعاملات وتنفيذ العقود على الشبكة. ورغم أن هذه الشفافية تعزز الثقة وقابلية التحقق، إلا أنها تضع عراقيل أمام التطبيقات التي تتطلب السرية. فلا يمكن كشف بيانات المعاملات المالية أو السجلات الطبية أو بيانات الهوية أو سجلات الشركات للجمهور، مع ضرورة معالجتها بشكل آمن. يقدم التشفير المتجانس الكامل حلاً تقنياً فريداً يتيح تنفيذ العمليات الحسابية بشكل خاص دون التأثير على صحة أو قابلية التحقق من النتائج.

تتضح أهمية هذه التقنية عند مقارنتها بأساليب حماية الخصوصية الأخرى في منظومة سلسلة الكتل. فالبراهين عديمة المعرفة (ZKP) تمكّن طرفاً من إثبات صحة معلومة أو عملية دون كشف البيانات الأصلية، لكنها تتطلب غالباً فصل أدوار المُثبِت والمُدقق وتناسب إثباتات محددة أكثر من تنفيذ تدفقات عملية معقدة. بالمقابل، تعتمد الحوسبة متعددة الأطراف (MPC) على توزيع العملية على عدة مشاركين، بحيث لا يطّلع أي طرف على البيانات كاملة، لكنها تستلزم تنسيقاً إضافياً وثقة بين الأطراف. أما التشفير المتجانس الكامل فيتيح تنفيذ عملية منفردة على مدخلات مشفرة دون أي إفشاء، حتى للعقد الذكي نفسه.

ويؤدي هذا الاختلاف إلى تأثيرات عملية على التمويل اللامركزي (DeFi) والمنظمات المستقلة اللامركزية (DAOs). ففي أنظمة DeFi، تكشف أسواق الإقراض وصناع السوق الآليين جميع المراكز والعروض بشكل علني، مما يجعل الاستراتيجيات المتقدمة عرضة للاستباق. وفي DAOs، تعرض آليات التصويت التفضيلات والقرارات أمام الجميع، مما يؤثر على سرية المناقشات الحوكمية الحساسة. باستخدام FHE، يمكن تنفيذ العمليات المالية والإدارية بشكل خاص على السلسلة، ولا يتم كشف النتائج إلا عبر البيانات المشفرة عند الحاجة.

التطور التاريخي والمعالم الرئيسية

بدأت رحلة التشفير المتجانس الكامل قبل عقود من تحوله إلى مجال عملي للبحث. فقد ركزت الدراسات التشفيرية الأولى على فكرة إجراء عمليات على بيانات مشفرة، لكن تطبيقاتها الفعلية كانت غائبة. جاء التحول الكبير عام 2009، عندما قدّم Craig Gentry أول نظام FHE معتمد على التشفير الشبكي وعملية "الإقلاع الذاتي" (Bootstrapping)، التي أتاحت تحديث النصوص المشفرة المشوشة وعمق حساب غير محدود. رغم ذلك، كان التصميم الأصلي لـGentry يستهلك وقتاً حسابياً كبيراً حتى للعمليات الأساسية.

بعد تلك المرحلة، حسّن الباحثون الكفاءة والفاعلية العملية لأنظمة FHE. أضافت أنظمة BGV وBFV تحسينات لحساب الأعداد الصحيحة، بينما وفّر CKKS الحساب التقريبي ليخدم تطبيقات تعلم الآلة على البيانات المشفرة. وواصلت أنظمة مثل TFHE وFHEW تطوير السرعة والتركيز على العمليات على مستوى البِتات والإقلاع السريع. وقد ساهمت هذه الإنجازات مع التطوير السريع في العتاد من خلال وحدات معالجة الرسومات (GPUs) والمصفوفات المنطقية القابلة للبرمجة (FPGAs) في تجاوز عنق الزجاجة في الأداء، محولةً FHE من مفهوم أكاديمي إلى تقنية قابلة للتنفيذ والنشر.

تزامن ظهور تقنية سلسلة الكتل مع تطور البحث في FHE، مما أوجد نقطة تقاطع طبيعية؛ حيث توفر السلاسل حسابات مفتوحة وقابلة للتدقيق، بينما يمنح FHE الطبقة الخصوصية للبيانات ضمن هذه الأنظمة. وبحلول عام 2023، أظهرت مشاريع مثل Zama’s fhEVM وFhenix’s confidential rollups كيف يمكن إدماج FHE مباشرةً في بيئة العقود الذكية. جسدت هذه النماذج الأولية الربط بين النظرية التشفيرية والتطبيق العملي في سلسلة الكتل، وأعلنت بداية مرحلة جديدة للتطبيقات اللامركزية السرية.

الأهمية ودوافع التبني

تسارعت الاهتمامات بتقنية FHE لتعاقدات سلسلة الكتل نتيجة لعدة عوامل. فقد اشتدت الرقابة التنظيمية حول خصوصية البيانات، حيث فرضت أطر مثل النظام الأوروبي العام لحماية البيانات (GDPR) وتشريعات أمريكية ناشئة متطلبات صارمة على كيفية التعامل مع البيانات الشخصية. ولا يمكن للمؤسسات التي تدرس اعتماد سلسلة الكتل في مجالات سلاسل الإمداد أو الصحة أو المال استخدام دفاتر شفافة بالكامل دون خرق تلك الأنظمة. يوفر FHE مساراً للامتثال القانوني عبر تمكين الحوسبة على السلسلة دون كشف البيانات الأصلية.

كما أدى توسع ترميز الأصول الواقعية ونمو التمويل المؤسساتي اللامركزي إلى تصاعد الحاجة للخصوصية. تتطلب المؤسسات المالية الكبرى السرية التامة في حجم التداول، والأطراف، والاستراتيجيات، حتى مع إجراء التسويات على الشبكات العامة. توفر العقود الذكية المدمجة مع FHE هذه الاحتياجات، حيث تتيح التداول والتسوية بشكل خاص مع الحفاظ على إمكانية التدقيق بواسطة الأدلة التشفيرية.

فضلاً عن ذلك، أدى صعود الذكاء الاصطناعي وتعلم الآلة على السلسلة إلى تضاعف الحاجة للحوسبة المشفرة. إذ يتطلب تدريب النماذج أو استنتاجها على مجموعات بيانات حساسة مثل السجلات الطبية أو الخوارزميات التجارية أن تبقى البيانات سرية. يتيح FHE هذه العمليات، ويفتح إمكانيات أمام وكلاء الذكاء الاصطناعي للعمل بأمان على معلومات مشفرة مخزنة مباشرةً في شبكات سلسلة الكتل.

الموقع في مشهد تقنيات الخصوصية

لا يشكل التشفير المتجانس الكامل بديلاً شاملاً لجميع تقنيات الخصوصية، بل يُعَد مكملاً لها. فالبراهين عديمة المعرفة أكثر كفاءة في إثبات الأمور المنفصلة مثل التحقق من الأرصدة أو صحة العضوية دون كشف البيانات ذاتها، بينما تتفوق الحوسبة متعددة الأطراف في تعاون مجموعات متعددة من الكيانات دون كشف مدخلات الأفراد. أما FHE فيمتاز عندما تكون العمليات الحسابية مستمرة، وتعسفية، وعلى بيانات مشفرة دون الحاجة لتنسيق بين مختلف الأطراف.

وبذلك، من المتوقع أن تعتمد العقود الذكية المستقبلية الداعمة للخصوصية على معماريات هجينة؛ فقد يستخدم النظام البراهين عديمة المعرفة لإثبات صحة نتائج محسوبة بواسطة FHE، أو يجمع بين FHE وMPC لتوزيع إدارة المفاتيح. ويُعتبر فهم دور FHE أمراً محورياً للمطورين والمعماريين الذين يخططون لبناء حلول الخصوصية في الأنظمة اللامركزية.