Poseidon哈希作为EVM预编译合约的计算成本分析

作为EVM预编译的Poseidon哈希的计算成本分析

动机

以太坊预编译合约构建到EVM中，并在客户端执行以获得高效率。通常，预编译状态保留给被认为具有高度重要性和用途的子程序。目前，总共有九个预编译合约：

1. ecRecover (ECDSA公钥恢复函数),
2. SHA2-256 (哈希函数),
3. RIPEMD-160 (哈希函数),
4. identity (恒等函数),
5. modexp (模幂运算),
6. ecAdd (椭圆曲线 alt_bn128 上的点加法),
7. ecMul (椭圆曲线 alt_bn128 上的标量乘法),
8. ecPairing (椭圆曲线 alt_bn128 上群的双线性函数),
9. blake2f (哈希算法 BLAKE2 中的压缩函数 F).

从上面的列表中我们可以看到，有两个哈希函数，即 SHA2-256 和 RIPEMD-160，以及压缩函数 blake2f，它用于哈希函数 BLAKE2 中。因此，我们有三个预编译合约仅用于哈希。 显然，拥有一组良好的哈希函数非常重要。

EIP-5988 是最近的一个EIP，提议将哈希函数 Poseidon 作为预编译合约添加。 Poseidon 是一种相对较新的哈希函数，基于 sponge construction，它使用遵循 Hades strategy 构建的置换。 先前的研究 (Grassi et al. 2021) 表明，Poseidon 显着减少了算术电路的大小，从而减少了 R1CS 约束的数量，这可以改进零知识协议的证明者方面。 此外，Poseidon 被证明与所有主要的零知识协议兼容，如 zkSNARKs、zkSTARKs、bulletproofs 等。 因此，添加 Poseidon 作为预编译的提案可以帮助加速当前 L2 的 zk-Rollups 解决方案以及零知识证明系统的许多其他潜在应用。

项目描述

在考虑实施之前，EIP-5988 仍然需要更多的理由。 一些需要解决的问题包括例如包含哪些参数，如何定义轮常量，以及使用哪些 MDS 矩阵； 请参阅 ethereum-magicians 论坛中的讨论。

一个重要的问题是确定轮常数的计算成本，这直接影响哈希函数任何实现的效率。 对于预编译合约来说，按需计算轮常数可能很昂贵，并且选择一组轮常数可能会有利于某些应用，但对其他应用不利。

为了更好地理解 Poseidon 作为预编译的任何实现中涉及的计算成本，本项目建议设计并实现针对不同轮常数、安全级别和 S-box 值的运行 Poseidon 的基准测试。

例如，过去在讨论 EIP-152 时，对 blake2f 预编译的执行时间进行了基准测试，这有助于确定计算成本并估计预编译的 gas 成本。

因此，本项目的主要建议是为 Poseidon 哈希函数编写和执行基准测试，并了解它与其他预编译哈希函数相比如何。 这可能有助于支持添加 Poseidon 作为预编译。 此外，为了有一个 gas 成本的参考点，本项目还将使用 EIP-5988 的规范在 Solidity 中实现一个智能合约。

项目目标

为了对 EIP-5988 做出明智的决定，本项目的主要目标是增加关于将 Poseidon 作为预编译合约运行的计算成本的实验证据。 这将允许估计客户端的执行时间，并为未来与 EIP-5988 相关的讨论提供参考文档。

规范

为了实现上述目标，并在 EPF 项目结束前准备好具体结果，本项目提出以下步骤。

1. 在 Rust 中实现 Poseidon。此实现将遵循 EIP-5988 的规范。
2. 使用 revm 中的实现，将 Poseidon 的 Rust 实现与预编译合约 SHA2-256 和 RIPEMD-160 进行比较。 此比较还将包括 Poseidon 的不同参数。
3. 在 Solidity 中实现 Poseidon，以便估算与智能合约相关的 gas 成本。
4. 编写一份技术报告，总结从基准测试中获得的结果。 这还将包括预编译的 gas 成本的提案。

同样重要的是要注意，在围绕 blake2f 预编译的 EIP-152 的讨论期间，也完成了类似的步骤。

选择 Rust 语言是为了与 SHA2-256 和 RIPEMD-160 的当前实现进行公平比较。 由于本项目将 Poseidon 视为预编译，因此需要将其与 EVM 当前使用的语言（例如 revm）中的实现进行比较。 这样，来自 EVM 的 SHA2-256 和 RIPEMD-160 的实现可以在基准测试中重用。 使用当前客户端未使用的其他语言将需要预编译的新实现，这可能会导致项目延迟。 此外，由于 EIP-5988 有可能被纳入协议，因此任何基准测试都必须针对当前正在使用的具体预编译执行。

路线图

前面部分提出的方法将按照下面列出的时间表执行。

可能的挑战

项目执行的主要挑战是 Poseidon 的 Rust 实现。 为本项目学习 Rust 以及缺乏使用该语言的经验可能会延迟本项目的任务。 此外，Solidity 合约将需要一些特殊的算法来处理大素数域上的算术。

合作者

研究员

Marcos Villagra

导师

Ignacio Kev

资源

1. Grassi, L., Khovratovich, D., Rechberger, C., Roy, A., & Schofnegger, M. (2021). Poseidon: A new hash function for Zero-Knowledge proof systems. In 30th USENIX Security Symposium (USENIX Security 21) (pp. 519-535). [链接]
2. Grassi, L., Khovratovich, D., & Schofnegger, M. (2023). Poseidon2: A Faster Version of the Poseidon Hash Function. Cryptology ePrint Archive. [链接]
3. https://www.poseidon-hash.info/
4. Abdelhamid Bakhta, Eli Ben Sasson, Avihu Levy, David Levit Gurevich, "EIP-5988: Add Poseidon hash function precompile [DRAFT]," Ethereum Improvement Proposals, no. 5988, November 2022. [Online serial]. Available: https://eips.ethereum.org/EIPS/eip-5988.
5. Bertoni, G., Daemen, J., Peeters, M. & Van Assche, G. (2011). Cryptographic sponge functions. [链接]
6. Grassi, L., Lüftenegger, R., Rechberger, C., Rotaru, D., & Schofnegger, M. (2020). On a generalization of substitution-permutation networks: The HADES design strategy. In Advances in Cryptology–EUROCRYPT 2020: 39th Annual International Conference on the Theory and Applications of Cryptographic Techniques, Zagreb, Croatia, May 10–14, 2020, Proceedings, Part II 30 (pp. 674-704). Springer International Publishing. [链接]

• 原文链接： github.com/eth-protocol-...
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