前言?

過(guò)去，密碼學(xué)技術(shù)在人類文明進(jìn)步中占據(jù)了舉足輕重的地位，尤其在信息安全和隱私保護(hù)領(lǐng)域發(fā)揮了不可替代的作用。它不僅為各領(lǐng)域的數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)提供了堅(jiān)實(shí)的保護(hù)，而且它的非對(duì)稱加密公私鑰體系和哈希函數(shù)，更是在 2008 年由中本聰進(jìn)行創(chuàng)造性地融合，設(shè)計(jì)出了解決雙花問(wèn)題的工作量證明機(jī)制，從而推動(dòng)了比特幣這一革命性數(shù)字貨幣的誕生，并開(kāi)啟了區(qū)塊鏈行業(yè)的新時(shí)代。

隨著區(qū)塊鏈行業(yè)的不斷演進(jìn)和飛速發(fā)展，一系列前沿的密碼學(xué)技術(shù)不斷浮現(xiàn)，其中零知識(shí)證明（ZKP）、多方計(jì)算（MPC）和全同態(tài)加密（FHE）等最為突出。這些技術(shù)在多個(gè)場(chǎng)景中得到了廣泛應(yīng)用，如 ZKP 結(jié)合 Rollup 方案解決區(qū)塊鏈的「不可能三角」問(wèn)題，MPC 結(jié)合公私鑰體系推動(dòng)用戶入口的大規(guī)模應(yīng)用（Mass Adoption）。至于被視為加密學(xué)圣杯之一的全同態(tài)加密 FHE，其獨(dú)特的特性使得第三方能夠在不解密的情況下，對(duì)加密數(shù)據(jù)進(jìn)行任意次數(shù)的計(jì)算和操作，從而實(shí)現(xiàn)可組合的鏈上隱私計(jì)算，為多個(gè)領(lǐng)域和場(chǎng)景帶來(lái)了新的可能。

快速概覽 FHE?

當(dāng)我們提到 FHE（全同態(tài)加密）時(shí)，我們可以先理解其名稱背后的含義。首先，HE 代表同態(tài)加密技術(shù)，其核心特性在于允許對(duì)密文進(jìn)行計(jì)算和操作，而這些操作能夠直接映射到明文上，即保持加密數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)屬性不變。而 FHE 中的「F」則意味著這種同態(tài)性達(dá)到了全新的高度，允許對(duì)加密數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)限次的計(jì)算和操作。

為了幫助理解，我們選用最簡(jiǎn)單的線性函數(shù)作為加密算法，并且結(jié)合單次操作說(shuō)明加法同態(tài)和乘法同態(tài)。當(dāng)然，實(shí)際 FHE 使用的是一系列更為復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法，并且，這些算法對(duì)于計(jì)算資源（CPU 和內(nèi)存）要求極高。

盡管 FHE 的數(shù)學(xué)原理深?yuàn)W且復(fù)雜，但在此我們不過(guò)多展開(kāi)。值得一提的是，在同態(tài)加密的領(lǐng)域中，除了 FHE 之外，還有部分同態(tài)加密和有些同態(tài)加密這兩種形式。它們主要區(qū)別在于支持的操作類型和允許的運(yùn)算次數(shù)不同，但同樣為實(shí)現(xiàn)加密數(shù)據(jù)的計(jì)算和操作提供了可能。不過(guò)，為了保持內(nèi)容的簡(jiǎn)潔性，我們?cè)谶@里也不做深入討論。

在 FHE 行業(yè)中，盡管有不少知名企業(yè)參與研究和開(kāi)發(fā)，不過(guò)，微軟和 Zama 憑借他們卓越的開(kāi)源產(chǎn)品（代碼庫(kù)），凸顯了無(wú)與倫比的可用度和影響力。他們?yōu)殚_(kāi)發(fā)者提供了穩(wěn)定且高效的 FHE 實(shí)現(xiàn)，這些貢獻(xiàn)極大地推動(dòng)了 FHE 技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

微軟的 SEAL：一款由微軟研究院精心打造的 FHE 庫(kù)，不僅支持全同態(tài)加密，還兼容部分同態(tài)加密。SEAL 提供了高效的 C++ 接口，并通過(guò)集成眾多優(yōu)化算法和技術(shù)，顯著提升了計(jì)算性能和效率。

Zama 的 TFHE：是一個(gè)專注于高性能全同態(tài)加密的開(kāi)源庫(kù)。TFHE 通過(guò) C 語(yǔ)言接口提供服務(wù)，并運(yùn)用一系列先進(jìn)的優(yōu)化技術(shù)和算法，旨在實(shí)現(xiàn)更快速的計(jì)算速度和更低的資源消耗。

按照最簡(jiǎn)化的思路，體驗(yàn) FHE 的操作流程大致如下：

• 生成密鑰：使用 FHE 庫(kù) / 框架生成一對(duì)公私鑰。
• 加密數(shù)據(jù)：使用公鑰對(duì)需要進(jìn)行 FHE 計(jì)算處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。
• 進(jìn)行同態(tài)計(jì)算：利用 FHE 庫(kù)提供的同態(tài)計(jì)算功能，對(duì)加密的數(shù)據(jù)執(zhí)行各種計(jì)算操作，例如加法、乘法等。
• 解密結(jié)果：當(dāng)需要查看計(jì)算結(jié)果時(shí)，合法的用戶使用私鑰對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行解密。

在 FHE 的實(shí)踐中，解密密鑰的管理方案（生成、流轉(zhuǎn)和使用等）尤為關(guān)鍵。由于加密數(shù)據(jù)的計(jì)算和操作結(jié)果在某些時(shí)刻和場(chǎng)景下需要解密以供使用，那么，解密密鑰便成為了確保原始數(shù)據(jù)和加工數(shù)據(jù)安全與完整性的核心。關(guān)于解密密鑰的管理，其方案實(shí)際上與傳統(tǒng)密鑰管理有許多相似之處，但鑒于 FHE 的特殊性，也可以設(shè)計(jì)采取更為嚴(yán)謹(jǐn)和細(xì)致的策略。

對(duì)于區(qū)塊鏈而言，由于其去中心化、透明化和不可篡改等特性，引入閾值的多方安全計(jì)算方案（Threshold Multi-Party Computation, TMPC）是一種極具潛力的選擇。這種方案允許多個(gè)參與者共同管理和控制解密密鑰，只有當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值數(shù)量（即參與者數(shù)量）時(shí)，才能成功解密數(shù)據(jù)。這樣不僅能夠提高密鑰管理的安全性，還能降低單一節(jié)點(diǎn)被攻破的風(fēng)險(xiǎn)，為 FHE 在區(qū)塊鏈環(huán)境中的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的保障。

打下基礎(chǔ)的 fhEVM?

從最小侵入性角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn) FHE 在區(qū)塊鏈上的應(yīng)用，最理想的方式是將其封裝為通用的智能合約代碼庫(kù)，以確保輕便性和靈活性。然而，這一方案的前提是智能合約虛擬機(jī)必須預(yù)先支持 FHE 所需的復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算和加密操作的特定指令集。若虛擬機(jī)無(wú)法滿足這些要求，則必須深入虛擬機(jī)的核心架構(gòu)進(jìn)行定制和改造，以適應(yīng) FHE 算法的需求，從而實(shí)現(xiàn)其無(wú)縫集成。

作為廣泛采用且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間驗(yàn)證的虛擬機(jī)，EVM 自然而然地成為了實(shí)現(xiàn) FHE 的首選。然而，在這個(gè)領(lǐng)域的實(shí)踐者寥寥無(wú)幾，其中，我們?cè)俅巫⒁獾介_(kāi)源 TFHE 的 Zama 公司。原來(lái)，Zama 不僅提供了基礎(chǔ)的 TFHE 庫(kù)外，而且作為一家專注于將 FHE 技術(shù)應(yīng)用于人工智能和區(qū)塊鏈領(lǐng)域的科技公司，還推出了兩款重要開(kāi)源產(chǎn)品：Concrete ML 和 fhEVM。Concrete ML 專注于機(jī)器學(xué)習(xí)隱私計(jì)算。通過(guò) Concrete ML，數(shù)據(jù)科學(xué)家和 ML 從業(yè)者可以在保護(hù)隱私的前提下，對(duì)敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練和推斷，從而充分利用數(shù)據(jù)資源而無(wú)需擔(dān)心隱私泄露。另一款產(chǎn)品 fhEVM 則是支持 Solidity 實(shí)現(xiàn)隱私計(jì)算的全同態(tài) EVM。fhEVM 使得開(kāi)發(fā)者可以在以太坊智能合約中使用全同態(tài)加密技術(shù)，實(shí)現(xiàn)隱私保護(hù)和安全計(jì)算。

通過(guò)閱讀 fhEVM 的資料，我們了解到 fhEVM 的核心特性是：

• fhEVM：在非 EVM 字節(jié)碼層面，以內(nèi)嵌函數(shù)形式，通過(guò)集成 Zama 開(kāi)源 FHE 庫(kù)的多個(gè)不同狀態(tài)的預(yù)編譯合約，提供了 FHE 的操作支持。另外，專門為 FHE 打造了一片特定的 EVM 內(nèi)存和存儲(chǔ)區(qū)域，用于存儲(chǔ)、讀寫和驗(yàn)證 FHE 的密文；
• 基于分布式閾值協(xié)議設(shè)計(jì)的解密機(jī)制：支持在多個(gè)用戶和多個(gè)合約之間混合加密數(shù)據(jù)的全局 FHE 密鑰和鏈上存儲(chǔ)加密密鑰、多個(gè)驗(yàn)證者之間以閾值的多方安全計(jì)算方案分享解密密鑰的異步加密機(jī)制；
• 降低開(kāi)發(fā)者使用門檻的 Solidity 合約庫(kù)：設(shè)計(jì)了 FHE 的加密數(shù)據(jù)類型、操作類型、解密調(diào)用和加密輸出等；

Zama 的 fhEVM 為區(qū)塊鏈應(yīng)用中的 FHE 技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的起點(diǎn)，但考慮到 Zama 主要側(cè)重于技術(shù)研發(fā)，其解決方案更偏向于技術(shù)層面，而在工程落地和商業(yè)應(yīng)用方面的思考相對(duì)較少。因此，fhEVM 在推向?qū)嶋H應(yīng)用的過(guò)程中，可能會(huì)遭遇各種預(yù)料之外的挑戰(zhàn)，包括但不限于技術(shù)門檻和性能優(yōu)化等問(wèn)題。 

構(gòu)建生態(tài)的 FHE-Rollups?

單純的 fhEVM 本身并不能單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)項(xiàng)目或完整的生態(tài)體系，它更像是以太坊生態(tài)中多樣化的客戶端之一。若要作為獨(dú)立項(xiàng)目立足，fhEVM 必須依托于公鏈級(jí)別的架構(gòu)或采用 Layer2/Layer3 的解決方案。FHE 公鏈的發(fā)展方向不可避免地要解決如何減少 FHE 計(jì)算資源在分布式驗(yàn)證者節(jié)點(diǎn)之間的冗余和浪費(fèi)。相反，本身作為公鏈執(zhí)行層存在的 Layer2 / Layer3 方案可以將計(jì)算工作分配到少數(shù)節(jié)點(diǎn)，極大減低計(jì)算開(kāi)銷的數(shù)量級(jí)。正因如此，F(xiàn)henix 作為先行者，積極探索將 fhEVM 與 Rollup 技術(shù)結(jié)合，提出構(gòu)建先進(jìn)的 FHE-Rollups 型 Layer2 解決方案。

考慮到 ZK Rollups 技術(shù)涉及復(fù)雜的 ZKP 機(jī)制，且需要巨大的計(jì)算資源來(lái)生成驗(yàn)證所需的證明，結(jié)合全 FHE 本身的特性，直接實(shí)現(xiàn)基于 ZK Rollups 的 FHE-Rollups 方案將面臨諸多的挑戰(zhàn)。因此，在目前階段，相較于 ZK Rollups，采用 Optimistic Rollups 方案來(lái)作為 Fhenix 的技術(shù)選擇會(huì)更為實(shí)際和高效。

Fhenix 的技術(shù)棧主要包括以下幾個(gè)關(guān)鍵組件：Arbitrum Nitro’s fraud prover 的變種，它可以在 WebAssembly 進(jìn)行欺詐證明，因此，F(xiàn)HE 邏輯可以先編譯成 WebAssembly 進(jìn)行安全運(yùn)行。核心庫(kù) fheOS 提供了將 FHE 邏輯集成到智能合約中所需的所有功能。閾值服務(wù)網(wǎng)絡(luò)（TSN）是另一個(gè)重要組件，它托管著秘密共享的網(wǎng)絡(luò)密鑰，使用特定算法的秘密共享技術(shù)將其分割成多份來(lái)確保安全性，并且在必要時(shí)，負(fù)責(zé)解密數(shù)據(jù)等任務(wù)。

基于上述的技術(shù)棧，F(xiàn)henix 發(fā)布了首個(gè)公開(kāi)版本 Fhenix Frontier。盡管這是有不少限制和功能缺失的早期版本，但它已經(jīng)全方位提供了智能合約代碼庫(kù)、Solidity API、合約開(kāi)發(fā)工具鏈（如 Hardhat/Remix）、前端交互 JavaScript 庫(kù)等的使用說(shuō)明。對(duì)此感興趣的開(kāi)發(fā)者和生態(tài)項(xiàng)目方可以參考官方文檔進(jìn)行探索。

Chain-Agnostic 的 FHE Coprocessors?

在 FHE-Rollups 的基礎(chǔ)上，F(xiàn)henix 巧妙地引入了 Relay 模塊，旨在賦能各類公鏈、L2 及 L3 網(wǎng)絡(luò)，使得它們能夠接入 FHE Coprocessors 使用 FHE 功能。這意味著，即便原先的 Host Chain 并不支持 FHE，現(xiàn)在也能間接享受到 FHE 的強(qiáng)大功能。然而，由于 FHE-Rollups 的證明挑戰(zhàn)期通常長(zhǎng)達(dá) 7 天，這在一定程度上限制了 FHE 的廣泛應(yīng)用。為了克服這一挑戰(zhàn)，F(xiàn)henix 聯(lián)手 EigenLayer，通過(guò) EigenLayer 的 Restaking 機(jī)制，為 FHE Coprocessors 的服務(wù)提供了更為快速方便的通道，極大地提升了整個(gè) FHE Coprocessors 的效率和靈活性。

FHE Coprocessors 的使用流程簡(jiǎn)單明了：

1. 應(yīng)用合約在 Host Chain 上調(diào)用 FHE Coprocessor 執(zhí)行加密計(jì)算操作
2. Relay 合約排隊(duì)請(qǐng)求
3. Relay 節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng) Relay 合約并將調(diào)用轉(zhuǎn)發(fā)至專用的 Fhenix Rollup
4. FHE Rollup 執(zhí)行 FHE 計(jì)算操作
5. 閾值網(wǎng)絡(luò)解密輸出
6. Relay 節(jié)點(diǎn)將結(jié)果和樂(lè)觀證明回傳給合約
7. 合約驗(yàn)證樂(lè)觀證明并將結(jié)果發(fā)送給調(diào)用方
8. 應(yīng)用合約結(jié)合調(diào)用結(jié)果繼續(xù)執(zhí)行合約

Fhenix 參與指南?

如果你是一名開(kāi)發(fā)者，你可以深入研究 Fhenix 的資料文檔，并基于這些文檔開(kāi)發(fā)屬于你自己的 FHE 型應(yīng)用，以探索其在實(shí)際應(yīng)用中的潛力。

如果你是一名用戶，不妨嘗試體驗(yàn) Fhenix 的 FHE-Rollups 所提供的 dApps，感受 FHE 帶來(lái)的數(shù)據(jù)安全性和隱私保護(hù)。

如果你是一名研究員，強(qiáng)烈推薦你仔細(xì)閱讀 Fhenix 的資料文檔，深入了解 FHE 的原理、技術(shù)細(xì)節(jié)和應(yīng)用前景，以便在你的研究領(lǐng)域內(nèi)做出更有價(jià)值的貢獻(xiàn)。

FHE 最佳應(yīng)用場(chǎng)景?

FHE 技術(shù)展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用前景，特別是在全鏈游戲、DeFi 以及 AI 等領(lǐng)域，我們堅(jiān)定地相信其在這些領(lǐng)域擁有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用空間：

• 隱私保護(hù)的全鏈游戲：FHE 技術(shù)為游戲經(jīng)濟(jì)體中的金融交易和玩家操作提供了強(qiáng)大的加密保障，有效防止了實(shí)時(shí)操縱行為，確保了游戲的公平性和公正性。同時(shí)，F(xiàn)HE 還能夠匿名化玩家的活動(dòng)，顯著降低了玩家金融資產(chǎn)和個(gè)人信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)，從而全方位保護(hù)玩家的隱私安全。
• DeFi/MEV：隨著 DeFi 活動(dòng)的蓬勃發(fā)展，不少 DeFi 操作在黑暗森林中成為了 MEV 攻擊的目標(biāo)。為了解決這一挑戰(zhàn)，F(xiàn)HE 能夠在保證業(yè)務(wù)邏輯計(jì)算處理的前提下，有效地保護(hù) DeFi 中不愿泄露的敏感數(shù)據(jù)，如持倉(cāng)數(shù)量、清算線、交易滑點(diǎn)等。通過(guò)應(yīng)用 FHE，鏈上 DeFi 的健康情況可以顯著地提升，從而大幅降低不良 MEV 行為的發(fā)生頻率。
• AI：AI 模型的訓(xùn)練依賴于數(shù)據(jù)集，當(dāng)涉及使用個(gè)體數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，確保個(gè)體敏感數(shù)據(jù)的安全成為首要前提。為此，F(xiàn)HE 技術(shù)成為 AI 模型訓(xùn)練個(gè)體隱私數(shù)據(jù)的理想方案，它允許 AI 在加密數(shù)據(jù)上進(jìn)行處理，從而在不泄露任何個(gè)人敏感信息的情況下完成訓(xùn)練過(guò)程。

FHE 的社區(qū)認(rèn)可度?

技術(shù)的發(fā)展并非僅靠其硬核的特性就能實(shí)現(xiàn)。要實(shí)現(xiàn)技術(shù)的成熟與持續(xù)進(jìn)步，必須依托于持續(xù)完善的學(xué)術(shù)研發(fā)和積極建設(shè)的社區(qū)力量。在這方面，F(xiàn)HE 被成為加密學(xué)界的圣杯，其潛力與價(jià)值早已被廣泛認(rèn)可。2020 年，Vitalik Buterin 在《Exploring Fully Homomorphic Encryption》一文中，對(duì) FHE 技術(shù)給予了高度的認(rèn)可與支持。近期，他在社交媒體上再度發(fā)聲，無(wú)疑再次強(qiáng)化了這一立場(chǎng)，并為 FHE 技術(shù)的發(fā)展呼吁了更多的資源和力量。與之對(duì)應(yīng)的是，不斷涌現(xiàn)的新項(xiàng)目、非營(yíng)利性研究和教育組織，持續(xù)注入的市場(chǎng)資金，這一切似乎都在預(yù)示著一場(chǎng)技術(shù)爆發(fā)的序曲即將奏響。

潛力的 FHE 初期生態(tài)

在 FHE 生態(tài)的發(fā)展初期，除了核心基礎(chǔ)技術(shù)服務(wù)公司 Zama 和備受矚目的 Fhenix 這一優(yōu)質(zhì)項(xiàng)目外，還有一系列同樣出色的項(xiàng)目值得我們深入了解和關(guān)注：

• Sunscreen：通過(guò)自助研發(fā)構(gòu)建的 FHE 編譯器，支持傳統(tǒng)編程語(yǔ)言進(jìn)行 FHE 轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng) FHE 密文去中心化存儲(chǔ)存儲(chǔ)，最后以 SDK 形式為 Web3 應(yīng)用輸出 FHE 特性
• Mind Network：結(jié)合 EigenLayer 的 Restaking 機(jī)制，專門為 AI 和 DePIN 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展安全性的 FHE 網(wǎng)絡(luò)
• PADO Labs：推出融合 ZKP 和 FHE 的 zkFHE，并在其上構(gòu)建的去中心化計(jì)算網(wǎng)絡(luò)
• **Arcium：** 前身是 Solana 的隱私協(xié)議 Elusiv，近期轉(zhuǎn)型成為結(jié)合了 FHE 的并行機(jī)密計(jì)算網(wǎng)絡(luò)
• Inco Network：基于 Zama 的 fhEVM，專注于優(yōu)化 FHE 的計(jì)算成本和效率，進(jìn)而發(fā)展完整生態(tài)的 Layer1
• Treat：由 Shiba 團(tuán)隊(duì)與 Zama 聯(lián)手打造，致力于延展 Shiba 生態(tài)的 FHE Layer3
• octra：基于 OCaml、AST、ReasonML 和 C++ 開(kāi)發(fā)的支持隔離執(zhí)行環(huán)境的 FHE 網(wǎng)絡(luò)
• BasedAI：支持為 LLM 模型引入 FHE 功能的分布式網(wǎng)絡(luò)
• Encifher：前身是 BananaHQ，現(xiàn)更名為 Rize Labs，正圍繞著 FHE 做 FHEML
• Privasea：NuLink 核心團(tuán)隊(duì)打造的 FHE 網(wǎng)絡(luò)，采用 Zama 的 Concrete ML 框架，旨在 AI 領(lǐng)域的 ML 推理過(guò)程中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隱私保護(hù)

對(duì)于非贏利性研究和教育機(jī)構(gòu)，我們強(qiáng)烈推薦 FHE.org 和 FHE Onchain，它們?yōu)檎麄€(gè)生態(tài)的學(xué)術(shù)研究和教育普及提供了寶貴的資源。

由于篇幅有限，我們未能一一列舉 FHE 生態(tài)中所有優(yōu)秀的項(xiàng)目。但請(qǐng)相信，這個(gè)生態(tài)中蘊(yùn)含了無(wú)限的潛力和機(jī)遇，值得我們持續(xù)深入探索和發(fā)掘。

總結(jié)

我們對(duì) FHE 技術(shù)的前景充滿樂(lè)觀，并對(duì) Fhenix 這個(gè)項(xiàng)目抱有極高的期待。一旦 Fhenix 主網(wǎng)發(fā)布和正式上線，我們預(yù)計(jì)不同領(lǐng)域的應(yīng)用將因?yàn)?FHE 技術(shù)而得到提升。我們堅(jiān)信，這個(gè)充滿創(chuàng)新與活力的未來(lái)，已經(jīng)近在咫尺。