Was sind Zero-Knowledge-Proofs (ZKP)?

Zero-Knowledge-Proofs ermöglichen den Nachweis von Informationen, ohne diese offenzulegen, und bieten so hohen Datenschutz und Sicherheit.

In diesem Artikel erfährst du, was Zero-Knowledge-Proofs sind, wie sie funktionieren, welche Vorteile und Anwendungsbereiche sie haben und mit welchen Herausforderungen und Grenzen sie verbunden sind.

Definition und Funktionsweise von Zero-Knowledge-Proof

Zero-Knowledge-Proofs sind kryptografische Methoden, die es ermöglichen, den Wahrheitsgehalt einer Aussage zu verifizieren, ohne dabei die zugrunde liegenden Informationen preiszugeben.

Was bedeutet Zero-Knowledge-Proof?

Ein Zero-Knowledge-Proof (ZKP) ist ein Verfahren, bei dem eine Partei (der Beweisführer) einer anderen Partei (dem Prüfer) nachweist, dass sie eine bestimmte Information kennt, ohne diese Information selbst offenzulegen. Dies dient dazu, die Privatsphäre zu schützen und gleichzeitig die Authentizität zu gewährleisten.

Wie funktioniert ein Zero-Knowledge-Proof?

Der Prozess eines Zero-Knowledge-Proofs umfasst in der Regel folgende Schritte:

Verifizierung ohne Offenlegung: Durch die Antworten des Beweisführers kann der Prüfer die Richtigkeit der Aussage verifizieren, ohne die eigentliche Information zu erhalten.

Festlegung der Aussage: Der Beweisführer möchte dem Prüfer beweisen, dass er eine bestimmte Information besitzt.

Interaktive Kommunikation: Der Beweisführer und der Prüfer treten in einen Dialog, bei dem der Prüfer Herausforderungen stellt, die der Beweisführer beantworten muss, um seine Kenntnis zu demonstrieren.

Einfaches Beispiel für ein Zero-Knowledge Proof

Ein konkretes Beispiel für einen Zero Knowledge Proof (ZKP) kann durch das sogenannte „Ali Baba’s Cave“-Beispiel veranschaulicht werden. Hierbei handelt es sich um eine einfache, intuitive Metapher, welche die Funktionsweise von ZKPs verdeutlicht:

Szenario: Ali Baba’s Höhle

Rahmenbedingung: Es gibt eine magische Tür am Ende einer kreisförmigen Höhle, die nur mit einem geheimen Passwort geöffnet werden kann. Der Prover (derjenige, der das Geheimnis kennt) möchte dem Verifier (der Prüfer) beweisen, dass er das Passwort kennt, ohne das Passwort selbst preiszugeben.

Ablauf des Zero Knowledge Proofs

1. Die Höhle: Die Höhle hat zwei Eingänge, die wir als Weg A und Weg B bezeichnen. Beide Wege führen zur magischen Tür. Der Prover und der Verifier stehen am Eingang der Höhle.
2. Wahl des Provers: Der Prover betritt die Höhle und entscheidet sich für einen der beiden Wege (A oder B). Der Verifier bleibt draußen und kann nicht sehen, welchen Weg der Prover gewählt hat.
3. Wahl des Verifiers: Der Verifier ruft zufällig den Namen eines der beiden Wege (A oder B) und verlangt vom Prover, aus diesem Weg zurückzukommen.
4. Aktion des Provers: Der Prover kann nur dann den gewünschten Weg zurückgehen, wenn er die magische Tür öffnen kann (falls der gewählte Weg des Verifiers nicht mit dem ursprünglichen Weg des Provers übereinstimmt). Falls der Prover das Passwort kennt, kann er die Tür öffnen und den Weg wechseln.
5. Wiederholung: Der Verifier wiederholt diesen Prozess mehrmals (z. B. 10–20 Mal), um die Wahrscheinlichkeit zu reduzieren, dass der Prover einfach nur rät und zufällig jedes Mal richtig liegt.

Warum ist dies ein Zero Knowledge Proof?

• Vollständigkeit: Wenn der Prover das Passwort kennt, kann er jede Herausforderung des Verifiers korrekt bestehen.
• Widerspruchsfreiheit: Wenn der Prover das Passwort nicht kennt, hat er nur eine 50%ige Chance, zufällig den richtigen Weg zu wählen. Nach mehreren Wiederholungen wird die Wahrscheinlichkeit, dass der Prover durch Zufall alle Tests besteht, extrem gering.
• Zero Knowledge: Der Verifier erfährt niemals das tatsächliche Passwort. Er sieht lediglich, dass der Prover in der Lage ist, die Tür zu öffnen, wenn nötig.

Dieses Prinzip wird in der Kryptographie verwendet, beispielsweise bei zk-SNARKs (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Arguments of Knowledge), die in Kryptowährungen wie Zcash zur sicheren Transaktionsvalidierung eingesetzt werden, ohne sensible Informationen preiszugeben.

In Kryptowährungen werden Zero Knowledge Proofs (ZKPs) genutzt, um Transaktionen privat und sicher zu gestalten, während gleichzeitig die Integrität der Blockchain gewährleistet bleibt. Ein bekanntes Beispiel für die Anwendung von ZKPs ist Zcash, eine Kryptowährung, die zk-SNARKs (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Arguments of Knowledge) einsetzt.

Verwendung von Zero-Knowledge Proofs in Kryptowährungen

1. Privatsphäre bei Transaktionen
   • Problem: Bei den meisten Blockchains (z. B. Bitcoin) sind alle Transaktionen öffentlich einsehbar. Jeder kann nachverfolgen, welche Adressen wie viel Geld senden oder empfangen.
   • Lösung durch ZKPs: Mit ZKPs kann bewiesen werden, dass eine Transaktion gültig ist (z. B. dass die gesendete Summe verfügbar ist), ohne den Betrag, die Sender- und Empfänger-Adressen oder andere sensible Details preiszugeben.
   • Beispiel: In Zcash können Nutzer eine „shielded transaction“ durchführen. Hierbei wird die Transaktion kryptographisch mit einem zk-SNARK geschützt. Der Prover beweist dabei, dass:
     • Der Absender genügend Guthaben besitzt.
     • Das Guthaben korrekt von einer Adresse auf eine andere übertragen wird.
     • Alle Regeln der Blockchain eingehalten werden. Ohne die Beträge oder Adressen offenzulegen.

2. Verifizierung ohne vollständige Offenlegung
   • Problem: Normalerweise müssen Nutzer der Blockchain ihre gesamten Kontodetails oder Transaktionsdaten offenlegen, damit Miner oder Validatoren diese überprüfen können.
   • Lösung durch ZKPs: Validatoren können Transaktionen verifizieren, ohne die sensiblen Details einzusehen.
   • Beispiel:
     • zk-SNARKs in Zcash: Der Nutzer beweist, dass er die richtige Signatur für die Transaktion besitzt und die Regeln der Blockchain befolgt, ohne die Signatur oder die Inhalte offenzulegen.
     • zk-Rollups (Ethereum Layer-2): Mehrere Transaktionen werden in einer einzigen Proof-Struktur zusammengefasst. Der Zero Knowledge Proof belegt, dass alle enthaltenen Transaktionen korrekt sind, ohne jede einzeln prüfen zu müssen.

3. Effizienzsteigerung
   • Problem: Blockchains wie Ethereum leiden unter Skalierbarkeitsproblemen, da jede Transaktion von allen Nodes geprüft werden muss.
   • Lösung durch ZKPs: Mit zk-Rollups können viele Transaktionen gebündelt und durch einen einzigen Zero Knowledge Proof validiert werden. Dies reduziert die Belastung der Hauptblockchain erheblich.
   • Beispiel: zkSync, ein Layer-2-Protokoll auf Ethereum, nutzt zk-Rollups, um Tausende von Transaktionen in einer einzigen Batch zu bündeln. Die Proofs gewährleisten, dass die Transaktionen korrekt sind, ohne dass jede Transaktion individuell geprüft werden muss.

4. Anonymisierte Abstimmungen und DAOs
   • Problem: In dezentralen Organisationen (DAOs) könnten Abstimmungen auf der Blockchain potenziell die Identität der Teilnehmer offenbaren.
   • Lösung durch ZKPs: Teilnehmer können mit ZKPs abstimmen und beweisen, dass sie stimmberechtigt sind, ohne ihre Identität oder ihre Stimmwahl offenzulegen.

Vorteile von ZKPs in Kryptowährungen

• Datenschutz: Details der Transaktionen bleiben verborgen, während die Validität sichergestellt wird.
• Sicherheit: Manipulation ist ausgeschlossen, da der Proof kryptographisch bindend ist.
• Skalierbarkeit: Besonders durch zk-Rollups wird die Belastung von Blockchains reduziert.
• Vertrauenslosigkeit: Keine dritte Partei muss vertraut werden – die Proofs werden direkt durch mathematische Prinzipien gesichert.

Vorteile und Anwendungsbereiche

Zero-Knowledge-Proofs bieten zahlreiche Vorteile und finden in verschiedenen Bereichen Anwendung.

Vorteile von Zero-Knowledge-Proofs

• Verbesserter Datenschutz: Zero-Knowledge-Proofs ermöglichen es, die Kenntnis einer Information nachzuweisen, ohne die Information selbst offenzulegen. Dies reduziert das Risiko von Datenlecks und unbefugtem Zugriff auf vertrauliche Informationen erheblich.
• Sichere Authentifizierung: In Online-Authentifizierungssystemen können Zero-Knowledge-Proofs verwendet werden, um die Identität eines Benutzers zu überprüfen, ohne dass dieser sensible persönliche Informationen preisgeben muss.
• Integrität und Privatsphäre in Transaktionen: In der Blockchain-Technologie können Zero-Knowledge-Proofs genutzt werden, um die Integrität und Privatsphäre von Transaktionen sicherzustellen.

Anwendungsbereiche in der Praxis

Finanzsektor: Banken können Zero-Knowledge-Proofs einsetzen, um nachzuweisen, dass Kunden die richtigen Zugangsdaten haben, ohne Bankdaten preiszugeben. Dies bietet eine sichere und effiziente Möglichkeit der Authentifizierung bei gleichzeitigem Schutz sensibler Daten.

Elektronische Abstimmungen: Zero-Knowledge-Proofs können in elektronischen Wahlsystemen eingesetzt werden, um die Anonymität der Wähler zu gewährleisten und gleichzeitig die Korrektheit der Abstimmung sicherzustellen.

Sicherer Datenaustausch: In Bereichen, in denen sensible Daten ausgetauscht werden, ermöglichen Zero-Knowledge-Proofs den Nachweis bestimmter Eigenschaften der Daten, ohne die Daten selbst preiszugeben.

Verifizierung digitaler Identitäten: Unternehmen können Zero-Knowledge-Proofs nutzen, um die Identität von Kunden zu verifizieren, ohne persönliche Daten offenzulegen, was die Privatsphäre der Nutzer schützt.

Herausforderungen und Grenzen

Zero-Knowledge-Proofs bieten viele Vorteile, stehen jedoch auch vor technischen Herausforderungen und haben bestimmte Einschränkungen.

Technische Herausforderungen

• Rechenaufwand: Die Erstellung und Verifizierung von Zero-Knowledge-Proofs kann hohe Rechenressourcen erfordern, was die Effizienz beeinträchtigen kann.
• Komplexität der Implementierung: Die Integration von Zero-Knowledge-Proofs in bestehende Systeme erfordert spezialisiertes Wissen und kann technisch anspruchsvoll sein.
• Skalierbarkeit: Bei großen Datenmengen oder vielen Transaktionen kann die Anwendung von Zero-Knowledge-Proofs zu Skalierungsproblemen führen.

Einschränkungen und Kritik

Standardisierung: Es fehlt an einheitlichen Standards für Zero-Knowledge-Proofs, was die Interoperabilität zwischen verschiedenen Systemen erschwert.

Vertrauensannahmen: Einige Zero-Knowledge-Protokolle erfordern initiale vertrauenswürdige Setups, was ein potenzielles Sicherheitsrisiko darstellen kann.

Ethische Bedenken: Die Möglichkeit, Informationen zu verbergen, könnte in bestimmten Kontexten missbraucht werden, was ethische Fragen aufwirft.

Häufige Fragen (FAQ) zum Thema Zero-Knowledge-Proofs

In diesem Abschnitt beantworten wir die häufigsten und wichtigsten Fragen zum Thema Zero-Knowledge-Proofs.

Sind Zero-Knowledge-Proofs immer sicher?

Zero-Knowledge-Proofs sind sicher, solange die zugrunde liegenden kryptografischen Algorithmen korrekt implementiert sind. Schwächen können jedoch auftreten, wenn der Code fehlerhaft ist oder ein unsicheres Setup verwendet wird.

Können Zero-Knowledge-Proofs in Echtzeit verwendet werden?

Ja, jedoch hängt die Geschwindigkeit von der Implementierung und den verfügbaren Rechenressourcen ab. Fortschritte in der Technologie ermöglichen inzwischen eine immer effizientere Echtzeitanwendung.

Wie unterscheidet sich ein Zero-Knowledge-Proof von einer digitalen Signatur?

Eine digitale Signatur bestätigt die Authentizität und Integrität einer Nachricht, während ein Zero-Knowledge-Proof beweist, dass eine bestimmte Information bekannt ist, ohne die Information selbst offenzulegen. Beide Technologien können jedoch zusammen verwendet werden.