Смарт-контракти FHE на практиці

Вступ до конфіденційних смарт-контрактів

Повна гомоморфна криптографія створює нову парадигму для смарт-контрактів, дозволяючи здійснювати обчислення над зашифрованими даними без розкриття інформації ані блокчейну, ані логіці самого контракту. Традиційні смарт-контракти є за своєю суттю прозорими: усі параметри, змінні стану і результати обчислень відкриті для всіх учасників мережі. Хоча така відкритість підвищує рівень аудиту, вона унеможливлює застосування у сценаріях, де конфіденційність критично важлива. Наприклад, у сферах фінансових операцій, медичних записів, даних ланцюгів постачання чи ідентифікаційних атрибутів прозорість супроводжується неприйнятними ризиками.

Завдяки повній гомоморфній криптографії, смарт-контракти можуть обробляти зашифровані дані, водночас зберігаючи усі очікувані властивості перевірюваного виконання, притаманні децентралізованим застосункам. У підсумку виникає поняття «конфіденційний смарт-контракт»: контракт, який функціонує як звичайний, але ніколи не відкриває оброблювану інформацію. Він приймає зашифровані тексти, виконує обчислення безпосередньо над ними та повертає зашифровані результати. Лише власник даних може розшифрувати підсумок, забезпечуючи приватність без втрати переваг незмінності та консенсусу блокчейну.

Архітектура FHE-смарт-контракту

Архітектура смарт-контракту з FHE принципово відрізняється від традиційної. Основна відмінність полягає у русі даних всередині системи. Користувачі спершу локально шифрують інформацію публічними ключами, а тоді надсилають її до блокчейну. Зашифровані дані (зашифровані тексти) слугують вхідними параметрами для контрактної логіки, розгорнутої на ланцюгу. На відміну від систем доказів з нульовим розголошенням (zero-knowledge), які засвідчують коректність обчислень без показу вхідних даних, FHE дозволяє виконувати повні обчислення просто на зашифрованих текстах.

Типова структура FHE-смарт-контракту містить три рівні. Перший — шифрування й розшифрування даних власником, що відбувається поза блокчейном. Другий — середовище виконання контракту, яке реалізує арифметичні чи логічні операції над зашифрованими текстами через гомоморфні функції. Третій — механізм верифікації, що засвідчує цілісність та достовірність результатів. Залежно від реалізації, перевірка може додатково передбачати використання криптографічних доказів, наприклад, нульових доказів знання, що підтверджують чесність обчислень.

Ця архітектура вимагає нових криптографічних примітивів, відсутніх у звичайних фреймворках смарт-контрактів. Гомоморфне додавання, множення та логічні елементи замінюють стандартні арифметичні операції, при цьому спеціалізовані системи керування ключами мають забезпечувати підтримку як ключів шифрування (для користувачів), так і ключів оцінювання для контракту. Надійне та ефективне керування цими компонентами є ключем до впровадження FHE у децентралізованих цифрових середовищах.

Модель FHEVM

Одним із найяскравіших проєктів інтеграції повної гомоморфної криптографії в існуючі блокчейн-екосистеми є FHEVM, розроблена компанією Zama. FHEVM адаптує Ethereum Virtual Machine (EVM) для роботи із зашифрованими даними, впроваджуючи зашифровані змінні стану, транзакції та спеціальні opcodes, що дозволяють виконання логіки контрактів без розшифрування інформації. Такий підхід зберігає сумісність із чинними інструментами EVM та водночас інтегрує шар конфіденційності.

В моделі FHEVM кожен контракт підтримує зашифрований стан, тобто навіть збережені значення залишаються невидимими для всієї мережі. Коли користувач надсилає транзакцію, він шифрує вхідні дані публічним ключем оцінювання і відправляє зашифрований текст у блокчейн. Смарт-контракт виконує обробку зашифрованого тексту із застосуванням гомоморфних операцій відповідно до FHE-схеми (зазвичай TFHE за ефективністю стосовно логічних елементів) і створює зашифрований результат. Розшифрування підсумкових даних користувач виконує локально за допомогою свого приватного ключа.

Головна інновація FHEVM — розмежування процесів шифрування і верифікації. Блокчейн не бачить відкритих значень, проте він здатен підтвердити цілісність виконання контракту, оскільки операції над зашифрованими текстами є детермінованими. Завдяки механізму консенсусу всі вузли синхронізуються на однаковому зашифрованому стані, не знаючи фактичних вхідних даних.

Співпроцесори та виконання поза ланцюгом

Забезпечення повністю гомоморфних обчислень безпосередньо на блокчейні нині є дорогим як з погляду ресурсів, так і витрат на газ. З метою оптимізації частина архітектур використовує співпроцесори, що працюють поза ланцюгом. У такій моделі блокчейн фіксує зашифровані вхідні дані та переходи стану, а ресурсоємні обчислення виконуються у спеціалізованих середовищах за межами ланцюга, оптимізованих для FHE-операцій. По завершенні обробки співпроцесор повертає зашифрований результат до блокчейну для фіксації нового стану.

Цей підхід відповідає тенденціям zero-knowledge- та optimistic rollup-рішень, де масштабування досягається розділенням виконання та досягнення консенсусу. Для FHE-смарт-контрактів співпроцесори надають можливість виконання складних задач — таких як аналітика над зашифрованими даними машинного навчання чи багатосторонні обчислення — без надмірного навантаження базового рівня вартісними криптографічними операціями. Проєкти на кшталт Fhenix активно досліджують цю концепцію, інтегруючи FHE-ролапи із Ethereum для створення довірчо-мінімізованих конфіденційних середовищ обчислень.

Ключова проблема полягає у гарантуванні недовіренності позаланцюгових обчислень. Технології верифікованих обчислень та zk-докази здатні доповнювати FHE, дозволяючи блокчейну перевіряти, чи відповідає отриманий зашифрований результат дійсним обчисленням, навіть не маючи доступу до відкритих даних. Такий гібридний підхід поєднує переваги кількох технологій забезпечення приватності для побудови надійних і масштабованих конфіденційних контрактів.

Керування ключами та контроль доступу

Керування ключами є однією з найбільш критичних складових при розгортанні FHE-смарт-контрактів. На відміну від традиційного шифрування, де один користувач володіє і шифрувальним, і розшифрувальним ключем, FHE вимагає комплексної роботи з кількома типами ключів. Користувачі шифрують вхідні дані публічним ключем, а контракт здійснює обчислення за допомогою ключа оцінювання, отриманого з цієї ж пари ключів. Лише користувач зберігає секретний ключ для розшифрування, тому блокчейн ніколи не отримує доступу до вихідних даних.

Такий підхід породжує низку питань. Як декілька користувачів можуть взаємодіяти з одним контрактом, якщо в кожного власний секретний ключ? Один із підходів — порогова (threshold) FHE, де для розшифрування потрібна взаємодія множини учасників, і жоден із них не може самостійно отримати конфіденційну інформацію. Альтернатива — створення спільних ключів оцінювання, що забезпечують колективні операції без компрометації приватності окремих суб’єктів. Обидві концепції активно досліджуються для децентралізованих середовищ, де особливо важливі інтероперабельність і мінімізація довіри.

Контроль доступу також істотно ускладнюється із появою зашифрованих даних. Традиційні перевірки дозволів на основі відкритих атрибутів стають неактуальними; натомість доводиться використовувати гомоморфну перевірку криптографічних тегів чи політик доступу. Це напрям ще на етапі становлення: експериментальні реалізації досліджують атрибутивне шифрування у поєднанні з FHE для створення гнучких механізмів дозволів у конфіденційних смарт-контрактах.

Сфери застосування FHE-смарт-контрактів

Обробка зашифрованих даних відкриває якісно нові категорії децентралізованих застосунків, раніше недосяжних для прозорих блокчейнів. У децентралізованих фінансах FHE забезпечує появу конфіденційних кредитних ринків, де розмір застави та умови позики захищені приватністю і водночас підлягають виконанню. Автоматизовані маркетмейкери можуть здійснювати трейдинг без розкриття позицій ліквідності чи торгових стратегій, що суттєво знижує ризики фронтранінгу та витоку цінних даних (MEV).

У сфері управління FHE дає змогу впроваджувати приватне голосування для DAO: учасники подають зашифровані бюлетені, а смарт-контракт підраховує голоси гомоморфно, забезпечуючи перевірений, однак конфіденційний результат. Це дозволяє поєднати приватність вибору з прозорістю й цілісністю прийняття рішень.

Поза межами фінансів і управління FHE відкриває нові можливості для децентралізованої ідентифікації та медичного обміну даними. Особи можуть доводити відповідність критеріям чи обмінюватися медичними інсайтами, не розкриваючи чутливу інформацію. Моделі штучного інтелекту можуть здійснювати аналітику над зашифрованими наборами даних, даючи змогу створювати колаборативні системи машинного навчання без розкриття вихідних даних чи моделей.

Питання продуктивності та поточні обмеження

Попри революційний потенціал, повна гомоморфна криптографія поки залишається дорогим з точки зору обчислень рішенням порівняно із класичною криптографією чи системами з нульовим розголошенням. Собівартість гомоморфних операцій, особливо множення і bootstrapping, відчутно знижує транзакційну пропускну спроможність і збільшує витрати на газ. Сучасні реалізації обирають сфери з невисокою частотою транзакцій, але максимально високими вимогами до приватності — наприклад, для інституційних DeFi або приватного голосування.

Нещодавні досягнення у схемах та апаратному прискоренні поступово пом’якшують ці бар’єри. Bootstrapping у TFHE тепер працює на субмілісекундному рівні, а спеціалізовані гомоморфні процесори значно зменшують затримки, тоді як гібридні архітектури виносять складні обчислення на співпроцесори чи rollup-платформи. Проте технологія ще на ранньому етапі, і масове впровадження передбачає подальше зростання продуктивності та уніфікацію бібліотек і інструментів.

Ще одне обмеження стосується доступності для розробників. Хоча бібліотеки на кшталт TFHE-rs чи SDK від Fhenix спрощують старт, розробка FHE-застосунків все одно потребує розуміння нюансів шумового бюджету, пакування зашифрованого тексту та складного управління ключами. Підвищення рівня абстракції й розвиток спеціалізованих інструментів стануть вирішальними для масового впровадження конфіденційних смарт-контрактів у блокчейн-сферу.