توابع تصادفی قابل تأیید (VRF) با روبی

توابع تصادفی قابل تأیید (VRF) بدوی رمزنگاری هستند که نقش مهمی در ارتباطات و محاسبات ایمن دارند. آنها اجازه تولید یک خروجی شبه تصادفی قطعی را می دهند که به طور قابل تأیید با یک ورودی خاص مرتبط است، بدون اینکه کلید مخفی تابع زیربنایی را آشکار کند. VRF ها به طور گسترده در برنامه هایی مانند امضای دیجیتال، بلاک چین های اثبات سهام و تولید تصادفی ایمن استفاده می شوند. در این مقاله، مفهوم VRF ها، ویژگی های آنها را بررسی می کنیم و به پیاده سازی VRF در زبان برنامه نویسی Ruby می پردازیم.

درک توابع تصادفی قابل تأیید (VRF)

VRF یک فرآیند رمزنگاری سه مرحله ای است که از سه الگوریتم KeyGen، Eval و Verify تشکیل شده است.

1. KeyGen: الگوریتم KeyGen یک جفت کلید عمومی و خصوصی ایجاد می کند. کلید عمومی برای تأیید خروجی شبه تصادفی استفاده می شود، در حالی که کلید خصوصی مخفی نگه داشته می شود و برای تولید خروجی VRF استفاده می شود.

2. ارزشیابی: الگوریتم Eval یک ورودی (پیام) و کلید خصوصی را به عنوان ورودی می گیرد و به طور قطعی خروجی VRF را تولید می کند. نکته مهم این است که عملکرد VRF در برابر برخورد مقاوم است، به این معنی که دو ورودی مختلف نمی توانند خروجی یکسانی تولید کنند.

3. تأیید کنید: الگوریتم Verify کلید عمومی، پیام ورودی و خروجی VRF را به عنوان ورودی می گیرد و صحت خروجی VRF را تأیید می کند. این تضمین می کند که خروجی واقعاً با استفاده از کلید خصوصی مربوطه و پیام ورودی ایجاد شده است.

ویژگی های VRF ها

VRF ها دارای چندین ویژگی حیاتی هستند که آنها را برای کاربردهای رمزنگاری مختلف مطلوب می کند:

1. خروجی قطعی و غیر قابل پیش بینی: خروجی VRF قطعی است، به این معنی که یک ورودی همیشه همان خروجی را تولید می کند. با این حال، خروجی از یک مقدار واقعا تصادفی قابل تشخیص نیست، حتی برای کسی که کلید خصوصی VRF را می‌داند.

2. مقاومت در برابر برخورد: VRF ها در برابر برخورد مقاوم هستند، به این معنی که یافتن دو ورودی مجزا که خروجی VRF یکسانی تولید می کنند غیرممکن است.

3. شبه تصادفی و عدم پیوند: خروجی VRF شبه تصادفی به نظر می رسد، و از نظر محاسباتی غیرممکن است که یک ورودی یکسان را به چندین خروجی VRF پیوند دهیم.

4. غیر چکش خواری: خروجی VRF توسط مهاجم بدون اطلاع از کلید خصوصی VRF قابل تغییر نیست.

کد

# Import the necessary libraries for cryptographic operations
require 'openssl'

# Function to generate VRF keys
def generate_vrf_keys
  group = OpenSSL::PKey::EC::Group.new('secp256k1')
  private_key = OpenSSL::PKey::EC.new(group)
  private_key.generate_key
  public_key = private_key.public_key
  return private_key, public_key
end

# Function to evaluate VRF
def eval_vrf(private_key, input_message)
  digest = OpenSSL::Digest::SHA256.new
  vrf_output = private_key.dsa_sign_asn1(input_message)
  return vrf_output
end

# Function to verify VRF output
def verify_vrf(public_key, input_message, vrf_output)
  digest = OpenSSL::Digest::SHA256.new
  return public_key.dsa_verify_asn1(input_message, vrf_output)
end

# Example usage:
private_key, public_key = generate_vrf_keys
input_message = "Hello, VRF!"
vrf_output = eval_vrf(private_key, input_message)
is_verified = verify_vrf(public_key, input_message, vrf_output)

puts "VRF Output: #{vrf_output}"
puts "VRF Verification Result: #{is_verified}"

require 'openssl'

# Function to generate VRF keys
def generate_vrf_keys
  group = OpenSSL::PKey::EC::Group.new('secp256k1')
  private_key = OpenSSL::PKey::EC.new(group)
  private_key.generate_key
  public_key = private_key.public_key
  return private_key, public_key
end

# Function to evaluate VRF
def eval_vrf(private_key, input_message)
  digest = OpenSSL::Digest::SHA256.new
  vrf_output = private_key.dsa_sign_asn1(input_message)
  return vrf_output
end

# Function to verify VRF output
def verify_vrf(public_key, input_message, vrf_output)
  digest = OpenSSL::Digest::SHA256.new
  is_verified = public_key.dsa_verify_asn1(input_message, vrf_output)
  return is_verified
end

# Example usage:
def example_usage
  private_key, public_key = generate_vrf_keys
  input_message = "Hello, VRF!"

  # Generate VRF output
  vrf_output = eval_vrf(private_key, input_message)

  # Verify the VRF output
  is_verified = verify_vrf(public_key, input_message, vrf_output)

  # Print results
  puts "Input Message: #{input_message}"
  puts "VRF Output: #{vrf_output.unpack('H*').first}" # Display output as hexadecimal
  puts "VRF Verification Result: #{is_verified}"
end

`

در این کد، پیاده سازی VRF را در Ruby با استفاده از کتابخانه OpenSSL تکمیل کرده ایم. تابعgene_vrf_keys یک جفت کلید ایجاد می کند، تابع eval_vrf خروجی VRF را محاسبه می کند و تابع verify_vrf صحت خروجی VRF را تایید می کند.

تابع example_usage نحوه استفاده از این توابع را نشان می دهد. این یک جفت کلید جدید تولید می کند، خروجی VRF را برای یک پیام ورودی نمونه (“Hello, VRF!”) ارزیابی می کند و سپس خروجی VRF را تأیید می کند. روش unpack(‘H*’) خروجی VRF باینری را برای خوانایی بهتر به یک رشته هگزادسیمال تبدیل می کند.

هنگامی که این کد را اجرا می کنید، باید پیام ورودی، خروجی VRF را در قالب هگزادسیمال و نتیجه تایید VRF مشاهده کنید. نتیجه تأیید باید درست باشد، که نشان می دهد خروجی VRF به درستی با استفاده از کلید خصوصی مرتبط با کلید عمومی ایجاد شده است.

این قطعه کد یک پیاده‌سازی عملی و کاربردی از مفهوم VRF در Ruby را ارائه می‌کند و تولید کلید، ارزیابی VRF و فرآیند تأیید را به نمایش می‌گذارد. می توان آن را به تناسب موارد استفاده خاص گسترش داد و در برنامه های مختلف رمزنگاری ادغام کرد تا امنیت و یکپارچگی آنها را افزایش دهد.

ویژگی های امنیتی VRF ها

VRF ها با ویژگی های امنیتی قوی طراحی شده اند و از مناسب بودن آنها برای برنامه های رمزنگاری اطمینان می دهند:

1. غیرقابل جعل وجودی تحت حمله پیام انتخاب شده (EUF-CMA): VRF ها امنیت EUF-CMA را فراهم می کنند، به این معنی که یک دشمن نمی تواند خروجی VRF را برای هر پیامی که قبلاً ندیده است، حتی پس از مشاهده خروجی های VRF برای پیام های دیگر، جعل کند.

2. عدم تعامل: VRF ها غیر تعاملی هستند و امکان محاسبه کارآمد و سریع خروجی VRF را بدون نیاز به چندین دور ارتباط بین طرفین فراهم می کنند.

3. رازداری به جلو: VRF ها محرمانه بودن رو به جلو ارائه می دهند، به این معنی که به خطر افتادن یک کلید خصوصی طولانی مدت، امنیت خروجی های VRF قبلی را به خطر نمی اندازد. هر خروجی VRF ایمن باقی می ماند حتی اگر بعداً کلید خصوصی به خطر بیفتد.

موارد استفاده از VRFs

توابع تصادفی قابل تأیید، کاربردها را در طیف گسترده ای از سناریوهای رمزنگاری پیدا می کنند:

1. فناوری بلاک چین: VRF ها به طور گسترده در سیستم های بلاک چین، به ویژه در بلاک چین های اثبات سهام (PoS)، برای انتخاب تصادفی تایید کننده های بلوک بدون افشای فرآیند تولید اعداد شبه تصادفی استفاده می شوند. این فرآیند انتخاب ایمن و منصفانه را در عین حفظ یکپارچگی بلاک چین تضمین می کند.

2. تولید تصادفی ایمن: VRF ها نقش حیاتی در تولید اعداد تصادفی بی طرفانه در سیستم های توزیع شده ایفا می کنند. برای مثال، در قرعه‌کشی‌های رمزنگاری یا الگوریتم‌های درهم‌رفتن، VRF‌ها به اطمینان از غیرقابل پیش‌بینی بودن و عدالت در نتیجه کمک می‌کنند.

3. امضاهای دیجیتال: از VRF ها می توان برای ایجاد امضای دیجیتال قطعی و در عین حال غیرقابل پیش بینی استفاده کرد. امضاهای مبتنی بر VRF هنگامی که با رمزنگاری‌های اولیه مناسب ترکیب می‌شوند، تضمین‌های امنیتی قوی ارائه می‌کنند و در عین حال از نگرانی‌های مربوط به محاسبات کوانتومی اجتناب می‌کنند.

4. سیستم های غیر متمرکز: VRF ها برنامه های غیرمتمرکز (DApps) را قادر می سازند تا بدون اتکا به یک مرجع مرکزی تصمیمات شبه تصادفی بگیرند. این اجازه می دهد تا برنامه های غیرقابل اعتماد و شفاف در حوزه های مختلف مانند بازی، قمار و موارد دیگر وجود داشته باشد.

5. سیستم های حفظ حریم خصوصی: VRF ها را می توان در پروتکل های حفظ حریم خصوصی مانند سیستم های احراز هویت ناشناس یا بازیابی اطلاعات خصوصی مورد استفاده قرار داد و از حفظ حریم خصوصی کاربران و در عین حال فعال کردن تعاملات امن استفاده کرد.

چالش ها و ملاحظات

در حالی که VRF ها ویژگی های امنیتی قدرتمند و کاربردهای عملی را ارائه می دهند، چالش هایی وجود دارد که باید در نظر گرفته شوند:

1. بهره وری: پیاده‌سازی‌های VRF باید از نظر محاسباتی کارآمد باشند، به‌ویژه در محیط‌های با محدودیت منابع مانند سیستم‌های تعبیه‌شده یا دستگاه‌های اینترنت اشیا، که در آن عملیات رمزنگاری ممکن است پرهزینه‌تر باشد.

2. مفروضات رمزنگاری: امنیت VRF ها بر مفروضات رمزنگاری خاصی متکی است، مانند سختی مسئله لگاریتم گسسته یا مشکل لگاریتم گسسته منحنی بیضوی. با پیشرفت تحقیقات رمزنگاری، این مفروضات ممکن است نیاز به به روز رسانی داشته باشند.

3. مدیریت کلیدی: مدیریت صحیح کلید در سیستم های VRF بسیار مهم است. برای جلوگیری از گم شدن یا دسترسی غیرمجاز، کلیدهای خصوصی باید ایمن نگه داشته شوند و از آنها نسخه پشتیبان تهیه شود.

4. استاندارد سازیاستاندارد کردن پیاده‌سازی VRF می‌تواند قابلیت همکاری و پذیرش گسترده‌تر را در سیستم‌ها و پلتفرم‌های مختلف ارتقا دهد.

نتیجه

توابع تصادفی قابل تأیید (VRFs) ابزارهای رمزنگاری اساسی هستند که بین جبرگرایی و غیرقابل پیش بینی بودن تعادل برقرار می کنند. توانایی آن‌ها برای تولید خروجی‌های شبه تصادفی قابل تأیید، کاربردهایی در سیستم‌های بلاک چین، تولید تصادفی امن، امضاهای دیجیتال و پروتکل‌های حفظ حریم خصوصی پیدا کرده است. با درک ویژگی ها و چالش های VRF ها، توسعه دهندگان می توانند سیستم های قوی و ایمن را طراحی کنند که از اعتماد و یکپارچگی ارائه شده توسط این رمزنگاری های اولیه بهره مند شوند. همانطور که حوزه رمزنگاری همچنان در حال تکامل است، VRF ها احتمالاً در خط مقدم تضمین امنیت و حریم خصوصی در دنیای دیجیتالی به هم پیوسته باقی خواهند ماند.