Хеш-функция, дружественная к STARK

Что такое хеш-функция, дружественная к STARK?

Хеш-функция, дружественная к STARK, — это криптографическая хеш-функция, разработанная для эффективной работы внутри систем доказательств STARK и других алгебраических сред доказательств с нулевым разглашением.

В криптовалютной сфере хеш-функции используются для сжатия данных в выходные значения фиксированного размера, построения деревьев Меркла, создания коммитментов, получения идентификаторов, проверки целостности и поддержки многих процессов безопасности блокчейна.

Хеш-функция, дружественная к STARK, выполняет ту же общую задачу, что и обычная хеш-функция, но создана для эффективной работы над конечными полями и полиномиальными ограничениями.

Это важно, поскольку доказательства STARK представляют вычисления через алгебраические утверждения, которые прувер должен доказать, а верификатор — проверить.

Если хеш-функцию сложно выразить в виде простых алгебраических ограничений, доказательство большого количества хешей становится медленным и затратным.

Традиционные хеш-функции, такие как SHA-256 и Keccak, отлично подходят для обычного ПО и блокчейн-консенсуса, однако внутри многих схем доказательств с нулевым разглашением или STARK-арифметизаций они могут быть затратными.

Поэтому хеш-функция, дружественная к STARK, оптимизируется прежде всего для генерации доказательств, а не только для производительности CPU.

На официальной странице технологии STARK от StarkWare доказательства STARK описываются как доказательства, которые может создать только офчейн-прувер, фактически выполнивший вычисление с необходимыми вспомогательными входными данными.

Поскольку доказательство вычислений является основной статьей затрат, хеш-функцию, используемую внутри этих вычислений, необходимо выбирать особенно тщательно.

Проще говоря, хеш-функция, дружественная к STARK, — это хеш-функция, которую проще, дешевле и быстрее доказывать внутри блокчейн-систем на базе STARK.

Почему хеш-функции, дружественные к STARK, важны

Хеш-функции, дружественные к STARK, важны, поскольку системам с нулевым разглашением часто требуется хешировать огромные объемы данных.

Роллап может хешировать данные транзакций, обновления аккаунтов, коммитменты состояния, пути Меркла, сообщения и входные данные доказательств.

Протокол конфиденциальности может хешировать заметки, нуллификаторы, коммитменты, секреты и листья дерева Меркла.

Уровень исполнения блокчейна может хешировать поля транзакций, вызовы контрактов, ключи хранилища и данные аккаунтов.

Если каждый хеш требует большого количества алгебраических ограничений, доказательство становится более ресурсоемким.

Более ресурсоемкое доказательство может увеличить время работы прувера, потребление памяти, затраты и задержку для пользователя.

В работе о хеш-функции Poseidon говорится, что Poseidon была разработана для систем доказательств с нулевым разглашением и в проанализированных авторами условиях может использовать значительно меньше ограничений на бит сообщения, чем хеш Pedersen.

Такое повышение эффективности важно, поскольку в приложениях, интенсивно использующих доказательства, хеширование часто повторяется тысячи или миллионы раз.

Для пользователей криптовалют более удачный выбор хеш-функции может косвенно означать более дешевые транзакции, более быструю генерацию доказательств, снижение инфраструктурных затрат и более масштабируемые приложения.

Для разработчиков хеширование, дружественное к STARK, является одним из важнейших архитектурных решений при создании ZK-приложений.

Что означает STARK?

STARK расшифровывается как Scalable Transparent Argument of Knowledge — масштабируемое прозрачное доказательство знания.

Доказательство STARK позволяет пруверу показать, что вычисление выполнено корректно, без необходимости для верификатора повторно выполнять его полностью.

Слово scalable означает цель эффективно доказывать крупные вычисления.

Слово transparent означает, что система доказательств не опирается на церемонию доверенной настройки так же, как некоторые другие системы доказательств.

Слово argument означает, что система обеспечивает надежную криптографическую гарантию при указанных допущениях.

Выражение of knowledge означает, что прувер демонстрирует знание данных или вычислений, удовлетворяющих утверждению.

В блокчейн-системах STARK часто используются для роллапов валидности, проверяемых вычислений, систем конфиденциальности и масштабируемого исполнения.

На официальном сайте Starknet Starknet описывается как роллап валидности, использующий технологию STARK для криптографической валидации офчейн-транзакций.

Хеш-функции постоянно используются в таких системах, поскольку коммитменты и деревья Меркла являются их ключевыми строительными блоками.

Именно поэтому хеш-функции, дружественные к STARK, — не второстепенная техническая деталь, а важнейшая часть разработки масштабируемых доказательств.

Как работает хеш-функция, дружественная к STARK

Хеш-функция, дружественная к STARK, обычно работает над конечным полем, а не обрабатывает данные исключительно как байты и побитовые операции.

Конечное поле — это математическое множество, в котором сложение, вычитание, умножение и деление выполняются по правилам модульной арифметики.

Системы доказательств STARK естественным образом построены вокруг конечных полей и полиномиальных ограничений.

Хеш-функцию, использующую сложение и умножение в поле, простые степени и линейные слои, может быть легче доказывать, чем хеш-функцию, построенную на побитовых циклических сдвигах, булевой логике и операциях на уровне байтов.

Во многих хеш-функциях, дружественных к STARK, используется конструкция на основе перестановок.

Хеш на основе перестановок многократно преобразует состояние, используя раунды нелинейных и линейных операций.

Нелинейный слой обеспечивает защиту от алгебраических и дифференциальных атак.

Линейный слой распространяет изменения по внутреннему состоянию.

Итоговый результат берется из части преобразованного состояния.

Цель такой конструкции — сохранить криптографическую стойкость хеша, одновременно делая каждый раунд недорогим для выражения в системе доказательств.

Хеш-функция, дружественная к STARK, и обычная хеш-функция

Обычная хеш-функция, как правило, оптимизируется для скорости в ПО и на оборудовании, криптографической безопасности и широкой совместимости.

Хеш-функция, дружественная к STARK, оптимизируется для эффективной генерации доказательств внутри алгебраических систем доказательств.

SHA-256 — надежная и широко используемая хеш-функция, но ее побитовые операции могут быть затратными для представления во многих арифметических схемах.

Keccak широко применяется в блокчейн-системах, однако его побитовая перестановка также может быть затратной в системах доказательств, предпочитающих арифметику конечных полей.

Хеш-функция, дружественная к STARK, избегает многих таких дорогостоящих побитовых операций.

Она использует операции, соответствующие нативному полю системы доказательств.

Это не означает, что обычные хеш-функции плохи.

Это означает, что они были разработаны для других сред.

Для обычных блокчейн-подписей, идентификаторов транзакций или совместимости с существующими протоколами традиционная хеш-функция все еще может быть необходима.

Для внутренних ZK-схем, деревьев Меркла и нативных для доказательств коммитментов хеш-функция, дружественная к STARK, может быть значительно эффективнее.

Хеш-функция, дружественная к STARK, и хеш-функция, дружественная к ZK

Хеш-функция, дружественная к STARK, — это разновидность хеш-функции, дружественной к ZK.

ZK-friendly hash — это более широкая категория хеш-функций, разработанных для систем доказательств с нулевым разглашением.

STARK-friendly hash ориентирована на эффективность в STARK-арифметизации, например в AIR или связанных системах полиномиальных ограничений.

Некоторые хеш-функции разработаны для схем SNARK, схем STARK, систем в стиле PLONK, R1CS или сразу для нескольких систем доказательств.

Лучший выбор хеш-функции зависит от системы доказательств, конечного поля, языка схем, уровня безопасности, стоимости доказательства и среды реализации.

Хеш-функция, эффективная в одной системе доказательств, может не быть лучшим вариантом в другой.

Например, хеш, оптимизированный для SNARK над простым полем, может быть неидеальным для STARK над бинарным полем.

Поэтому разработчикам не следует считать «дружественность к ZK» универсальным ярлыком.

Более точный вопрос заключается в том, эффективна и безопасна ли хеш-функция для конкретной используемой системы доказательств.

Хеш-функция, дружественная к STARK, является ZK-friendly именно с учетом специфики STARK.

Почему SHA-256 и Keccak могут быть затратными в STARK

SHA-256 и Keccak не разрабатывались главным образом для алгебраических систем доказательств.

SHA-256 использует множество побитовых операций, включая циклические сдвиги, сдвиги, XOR и булевы функции.

Keccak также использует операции на уровне битов в своей sponge-перестановке.

Эти операции эффективны на обычных компьютерах, поскольку процессоры естественным образом работают с битами и байтами.

Однако пруверы STARK часто работают с элементами поля и полиномиальными ограничениями.

Представление каждой побитовой операции в виде ограничений поля может потребовать множества дополнительных шагов.

Эти дополнительные шаги увеличивают нагрузку на прувер и сложность системы доказательств.

Именно поэтому хеш-функции, дружественные к STARK, стремятся использовать алгебраические операции, напрямую соответствующие системе доказательств.

В некоторых случаях традиционные хеш-функции все же необходимы для совместимости с существующими сетями, мостами или форматами адресов.

Во многих внутренних процессах доказательств хеш-функция, дружественная к STARK, может быть более удачным инженерным решением.

Хеш-функция Poseidon

Poseidon — одна из наиболее широко обсуждаемых ZK-friendly хеш-функций.

Она разработана для эффективной работы над конечными полями и сокращения числа ограничений, необходимых в системах доказательств.

На странице презентации Poseidon на USENIX Security Poseidon описывается как хеш-функция, которая нативно работает с объектами конечных полей и предназначена для систем доказательств с нулевым разглашением.

Poseidon использует sponge-подобную конструкцию на основе алгебраической перестановки.

Она применяет нелинейные операции S-box и линейные слои смешивания в нескольких раундах.

Ее главное преимущество состоит в том, что во многих ZK-средах ее доказательство может быть значительно дешевле, чем доказательство традиционных байт-ориентированных хеш-функций.

Poseidon часто используется для деревьев Меркла, коммитментов, нуллификаторов и внутреннего хеширования в приложениях с интенсивным использованием доказательств.

В контексте Starknet и Cairo Poseidon важна, поскольку рекомендуется для многих программ Cairo благодаря эффективности доказательств.

В официальном разделе книги Cairo о работе с хешами говорится, что Poseidon дешевле и быстрее Pedersen при работе с системами доказательств STARK и теперь является рекомендуемой хеш-функцией для программ Cairo.

Это делает Poseidon ключевым примером хеш-функции, дружественной к STARK, в практической блокчейн-разработке.

Хеш-функция Pedersen

Хеш Pedersen — еще одна важная хеш-функция в истории STARK и Starknet.

Хеширование Pedersen основано на операциях с эллиптическими кривыми и использовалось во многих криптографических системах.

В официальной документации Starknet по криптографии хеш Pedersen указан как одна из хеш-функций, используемых в спецификациях Starknet.

Исторически Starknet использовал хеш Pedersen в важных местах, включая устаревшее поведение сопоставления хранилища и старые системные компоненты.

Официальная книга Cairo поясняет, что Pedersen была первой хеш-функцией, использованной в Starknet, и до сих пор применяется в некоторых устаревших контекстах, связанных с хранилищем.

Pedersen может быть безопасной и полезной, но для многих нагрузок доказательств STARK она может быть менее эффективной, чем Poseidon.

Поэтому в новой разработке на Cairo часто предпочитают Poseidon, если совместимость не требует Pedersen.

Pedersen остается важной, поскольку от нее могут зависеть старые контракты, адреса и схемы хранения данных.

Разработчикам необходимо знать, какая хеш-функция ожидается в каждом контексте.

Использование неверной хеш-функции может создать некорректные адреса, нарушить поиск в хранилище, привести к недействительным подписям или неудачным доказательствам.

Хеш-функция Rescue

Rescue — еще одна конструкция хеш-функции, созданная для эффективного использования в алгебраических системах доказательств.

Как и Poseidon, Rescue построена вокруг операций над конечными полями, а не побитовой логики.

Хеши в стиле Rescue используют алгебраические перестановки с тщательно подобранными нелинейными слоями и линейным смешиванием.

Их цель — обеспечить высокую криптографическую безопасность при низком числе ограничений доказательства.

Rescue часто рассматривается в одном семействе хеш-функций, ориентированных на арифметизацию, вместе с Poseidon, Griffin, Anemoi и другими современными ZK-friendly конструкциями.

Она может подходить для некоторых систем доказательств в зависимости от реализации, параметров и допущений безопасности.

Однако дружественность к STARK не означает автоматически, что хеш следует использовать повсеместно.

Разработчикам следует проверять наличие зрелых реализаций, аудированных параметров, поддержки экосистемы и четких практик разделения доменов.

Poseidon стала особенно распространенной во многих ZK-экосистемах, но Rescue остается важной частью более широкого пространства решений.

Наличие нескольких хеш-функций, дружественных к STARK, показывает, что эта область продолжает активно развиваться.

Хеш-функции Starknet

Starknet использует несколько хеш-функций для разных потребностей протокола и приложений.

В официальной документации Starknet по криптографии Starknet Keccak, хеш Pedersen и хеш Poseidon описываются как хеш-функции, применяемые в спецификациях Starknet.

Starknet Keccak — это версия Keccak для Starknet, которая отображает выходные данные в поле STARK.

Pedersen использовалась в устаревших контекстах и остается частью некоторых процессов Starknet.

Poseidon применяется в новых расчетах хешей транзакций и рекомендуется во многих контекстах программирования на Cairo.

В официальном справочнике по полям транзакций и расчетам хешей Starknet показано, что хеши транзакций версии v3 рассчитываются с помощью Poseidon по элементам транзакции.

Это важно, поскольку выбор хеш-функции — не только теоретический вопрос.

Он напрямую влияет на идентификаторы транзакций, ключи хранилища, подписи, поведение контрактов и производительность доказательств.

Разработчик, создающий приложение на Starknet, должен следовать хеш-функции, требуемой конкретным компонентом протокола.

Пользователю не обязательно знать каждую деталь, но следует понимать, что разные хеш-функции могут выполнять разные роли в одной экосистеме.

Конечные поля

Конечные поля являются математической основой многих хеш-функций, дружественных к STARK.

Конечное поле содержит ограниченное число элементов и поддерживает арифметические операции, результаты которых остаются внутри поля.

Системы доказательств STARK используют конечные поля, поскольку полиномиальные тождества, области вычислений и алгебраические ограничения могут быть естественно выражены над ними.

Хеш-функция, дружественная к STARK, работает эффективно, когда ее внутренние операции состоят из сложения, умножения, возведения в степень и смешивания в стиле матриц над полем.

Такие операции можно представить в системе доказательств более непосредственно, чем побитовые операции.

Это одна из причин, по которой нативные для поля хеш-функции часто эффективнее для ZK-доказательств.

Однако конструкция на основе конечного поля также поднимает вопросы выбора параметров.

Хеш должен быть безопасным над выбранным полем.

Показатель степени S-box, константы раундов, ширина состояния и число раундов необходимо подбирать тщательно.

Хеш-функция, дружественная к STARK, — это не просто «хеширование с помощью математики», а криптографическая конструкция, настроенная для конкретной алгебраической среды.

Арифметизация

Арифметизация — это процесс преобразования вычислений в алгебраические ограничения, которые может доказать система доказательств.

В STARK вычисление может быть представлено как трасса исполнения и проверяться с помощью полиномиальных ограничений.

Хеш-функция дружественна к арифметизации, если ее можно выразить относительно небольшим числом простых ограничений.

Это главная причина существования хеш-функций, дружественных к STARK.

Если хеш-функция требует большого количества ограничений на раунд или на каждый входной бит, каждый путь Меркла и коммитмент становятся затратными.

Если хеш-функция использует нативные для поля операции, арифметизация может быть значительно компактнее.

Более компактная арифметизация может сократить время работы прувера, потребление памяти и стоимость генерации доказательств.

Она также может помочь приложениям использовать более глубокие деревья Меркла или более крупные пакеты данных.

Для разработчиков понимание арифметизации объясняет, почему лучший хеш для обычного ПО может не быть лучшим хешем внутри доказательства.

Лучшая хеш-функция, дружественная к STARK, соответствует алгебраической структуре системы доказательств и при этом сохраняет криптографическую безопасность.

Деревья Меркла и хеш-функции, дружественные к STARK

Деревья Меркла — одно из наиболее распространенных мест применения хеш-функций, дружественных к STARK.

Дерево Меркла хеширует данные в листья, а затем многократно хеширует пары или группы узлов, пока не будет получен один корень.

Корни Меркла используются для коммитментов состояния, доказательств включения, пакетов роллапов, приватных заметок, списков аирдропа и многих других криптовалютных процессов.

Если системе доказательств необходимо проверить путь Меркла, ей может потребоваться доказать множество операций хеширования.

Глубокое дерево Меркла может требовать десятков хеш-вычислений для одного доказательства.

Роллап или система конфиденциальности может проверять множество путей Меркла в одном пакете.

Это делает хеш-функцию одним из основных факторов затрат.

Использование хеш-функции, дружественной к STARK, может значительно удешевить проверку доказательств Меркла внутри STARK.

Это может поддерживать более крупные деревья состояния, более быстрое доказательство и снижение затрат приложений.

Для ZK-систем дерево Меркла часто настолько практично, насколько практична используемая в нем хеш-функция.

Коммитменты и нуллификаторы

Криптовалютные системы, ориентированные на конфиденциальность, часто используют коммитменты и нуллификаторы.

Коммитмент скрывает секретное значение, но при этом связывает пользователя с этим значением.

Нуллификатор предотвращает двойную трату, раскрывая уникальный тег при расходовании приватной заметки.

И коммитменты, и нуллификаторы часто опираются на хеш-функции.

Если эти хеши доказываются внутри STARK, хеш-функция, дружественная к STARK, может сократить стоимость доказательства.

Например, пользователь может доказать, что знает секретную заметку, коммитмент которой находится в дереве Меркла, не раскрывая саму заметку.

Для доказательства может потребоваться хешировать заметку, вычислить нуллификатор и проверить путь Меркла.

Каждый из этих шагов может включать операции хеширования.

Нативная для доказательств хеш-функция может сделать приватную транзакцию более эффективной.

Именно поэтому хеш-функции, дружественные к STARK, важны не только для масштабируемости, но и для практических приложений конфиденциальности.

Разделение доменов

Разделение доменов означает использование разных меток, префиксов, констант или структур входных данных, чтобы одну и ту же хеш-функцию можно было безопасно применять в разных контекстах.

Это важно, поскольку хеш, используемый для узла дерева Меркла, не должен случайно совпадать по смыслу с хешем транзакции, нуллификатора, сообщения для подписи или ключа хранилища.

Разделение доменов помогает предотвращать путаницу между протоколами.

Для хеш-функций, дружественных к STARK, разделение доменов может быть реализовано через префиксы, константы, емкость sponge-конструкции, типизированное кодирование или правила конкретного протокола.

Разработчикам не следует просто объединять элементы поля без понимания ожидаемого кодирования.

Неоднозначное кодирование может создавать коллизии на уровне приложения, даже если сама хеш-функция надежна.

Например, хеширование двух значений как пары не должно путаться с хешированием одного более длинного списка.

Хорошее разделение доменов делает системы доказательств безопаснее и проще для аудита.

Хеш-функция обеспечивает криптографическую стойкость, но протокол должен использовать ее корректно.

Многие ошибки ZK происходят из-за плохого кодирования данных, а не из-за нарушения хеш-примитива.

Требования к безопасности

Хеш-функция, дружественная к STARK, по-прежнему должна обладать обычными свойствами криптографической безопасности.

Она должна противостоять атакам поиска прообраза, при которых атакующий пытается найти входные данные, соответствующие известному выходному значению.

Она должна противостоять атакам второго прообраза, при которых атакующий пытается найти другой вход с тем же выходом, что и у известного входа.

Она должна противостоять атакам на коллизии, при которых атакующий пытается найти любые два разных входа с одинаковым выходом.

Она также должна противостоять алгебраическим атакам, которые могут быть особенно актуальны для конструкций хеш-функций на основе полей.

Одной эффективности недостаточно.

Хеш-функция, которую дешево доказывать, но которая уязвима для криптоанализа, опасна.

Безопасность зависит от числа раундов, выбора S-box, размера поля, генерации параметров, корректности реализации и разделения доменов.

Разработчикам следует использовать тщательно проверенные параметры и не создавать собственные настройки хеша без экспертной оценки.

В криптографии небольшие изменения параметров могут привести к серьезным проблемам безопасности.

Выбор параметров

Выбор параметров — одна из самых сложных частей разработки хеш-функции, дружественной к STARK.

Параметры могут включать ширину состояния, rate, capacity, количество раундов, показатель степени S-box, MDS-матрицу, константы раундов и выбор поля.

Эти решения влияют на безопасность и производительность.

Большее число раундов может повысить безопасность, но увеличивает стоимость доказательства.

Меньшее число раундов может повысить скорость, но ослабить запас безопасности.

Более широкое состояние может поглощать больше данных за одну перестановку, но требовать больше операций в каждом раунде.

Другое поле может изменить, какие показатели степени эффективны или безопасны.

Константы раундов следует генерировать прозрачным и воспроизводимым способом, когда это возможно.

Реализации должны в точности соответствовать официальным или аудированным наборам параметров.

Надежность хеш-функции, дружественной к STARK, зависит от используемых в продакшене параметров и реализации.

Хеш-функции, дружественные к STARK, и Cairo

Cairo — язык программирования, используемый для вычислений на базе STARK и смарт-контрактов Starknet.

Хеш-функции в Cairo важны, поскольку влияют на хранилище контрактов, данные транзакций, подписи и эффективность доказательств.

В официальной книге Cairo поясняется, что Poseidon теперь рекомендуется для программ Cairo, поскольку при работе с доказательствами STARK она дешевле и быстрее Pedersen.

Эта рекомендация отражает практическую цель хеширования, дружественного к STARK.

Разработчики выбирают Poseidon не только потому, что она популярна.

Они выбирают ее потому, что она лучше соответствует арифметике системы доказательств.

Однако разработчикам Cairo в отдельных контекстах все еще могут требоваться Pedersen или Keccak.

Например, совместимость с устаревшим хранилищем или внешними данными в стиле Ethereum может требовать конкретной хеш-функции.

Хороший разработчик Cairo должен понимать, для какой цели предназначена каждая хеш-функция.

Использование наиболее эффективной хеш-функции в неправильном месте все равно может нарушить работу приложения.

Хеш-функции, дружественные к STARK, и хеши транзакций

Хеши транзакций идентифицируют транзакции и фиксируют важные поля транзакций.

В Starknet новые форматы хешей транзакций могут использовать Poseidon над элементами поля.

В официальном справочнике транзакций Starknet показано, что хеши транзакций v3 используют Poseidon для таких полей, как версия, адрес отправителя, лимиты газа, chain ID, nonce, хеш calldata и связанные данные.

Это пример использования хеш-функции, дружественной к STARK, в ключевом процессе протокола.

Хеш транзакции должен быть детерминированным.

Каждый узел и кошелек должны вычислять один и тот же хеш из одних и тех же полей.

Если кошелек подписывает один хеш, а сеть проверяет другой, транзакция завершится неудачей.

Это означает, что спецификации хеширования должны быть точными.

Разработчикам следует следовать официальным формулам расчета хеша транзакций, а не создавать собственные упрощенные решения.

Хеширование на уровне протокола не допускает догадок.

Хеш-функции, дружественные к STARK, и ключи хранилища

Ключи хранилища — еще одна область, в которой важны хеш-функции.

Хранилище смарт-контрактов часто использует хешированные ключи для сопоставления переменных, адресов и индексов с ячейками хранилища.

В истории Starknet Pedersen использовалась для определенного поведения сопоставления хранилища.

В книге Cairo отмечается, что LegacyMap использует Pedersen для хеширования ключей маппингов хранилища в Starknet.

Новый код приложений может предпочитать Poseidon там, где она поддерживается и рекомендуется.

Это создает для разработчиков проблему совместимости.

Старые структуры хранилища должны продолжать использовать ожидаемую хеш-функцию, чтобы считывать корректные данные.

Изменение хеш-функции хранилища может изменить место хранения значений.

При неправильной обработке это может сделать старые балансы, разрешения или значения конфигурации недоступными.

Хеширование хранилища следует рассматривать как часть постоянной структуры данных приложения.

Хеш-функции, дружественные к STARK, и роллапы

Роллапы используют хеши для фиксации пакетов, транзакций, обновлений состояния, сообщений и доказательств.

Роллап валидности на базе STARK может использовать хеш-функции, дружественные к STARK, поскольку интенсивные вычисления с хешами становятся дешевле для доказательства.

На официальной странице StarkWare о Starknet Starknet описывается как Layer 2, который создает доказательства STARK офчейн и отправляет их ончейн.

Внутри такой системы офчейн-работа по созданию доказательств составляет значительную часть операционных затрат.

Если внутренние хеш-функции неэффективны, прувер должен выполнять больше работы для каждого пакета.

Если внутренние хеш-функции эффективны, система может обрабатывать больше данных с меньшими накладными расходами на доказательства.

Это может улучшить масштабируемость для пользователей, даже если они никогда напрямую не видят хеш-функцию.

Пользователи роллапов часто думают о комиссиях и скорости.

Внутренне эти пользовательские результаты частично зависят от эффективности системы доказательств.

Хеш-функции, дружественные к STARK, — один из строительных блоков, делающих роллапы валидности с высокой пропускной способностью более практичными.

Хеш-функции, дружественные к STARK, и абстракция аккаунта

Абстракция аккаунта позволяет аккаунтам использовать гибкую логику валидации вместо одной фиксированной модели подписи.

Хеш-функции используются в абстракции аккаунта, поскольку аккаунты могут хешировать данные транзакций, подписи, сессионные ключи, правила политик или сообщения валидации.

В сети на базе STARK логика валидации аккаунта должна быть доказана как часть исполнения.

Если код аккаунта выполняет множество дорогостоящих операций хеширования, это может увеличить затраты на доказательства.

Хеш-функция, дружественная к STARK, может сделать валидацию аккаунта более эффективной, если протокол ее поддерживает.

Однако абстракции аккаунта также может требоваться совместимость с внешними схемами подписей или форматами сообщений.

Это означает, что разработчикам иногда могут понадобиться и дружественные к STARK, и традиционные хеш-функции в одной системе аккаунтов.

Правильная конструкция зависит от стандартов кошельков, проверки подписей, совместимости мостов и безопасности пользователей.

Эффективное хеширование полезно, но безопасность аккаунта должна оставаться главным приоритетом.

Дешевая хеш-функция бесполезна, если она ослабляет разделение доменов подписей или авторизацию транзакций.

Хеш-функции, дружественные к STARK, и мосты

Мосты часто проверяют сообщения, корни состояния, доказательства хранилища или результаты роллапов между разными сетями.

Совместимость хеш-функций становится важной, когда одна сторона моста использует хеш-функцию, дружественную к STARK, а другая — традиционную хеш-функцию.

Например, система на базе STARK может использовать Poseidon внутри, тогда как другая сеть может ожидать Keccak или SHA-256 для собственных нативных доказательств.

Мосту может потребоваться доказывать или проверять оба типа хешей.

Это может увеличить затраты, поскольку системе доказательств может потребоваться включить затратную традиционную хеш-функцию для совместимости.

Некоторые системы используют адаптеры, рекурсивные доказательства или отдельные уровни коммитментов для решения этой проблемы.

Разработчики мостов должны особенно внимательно относиться к допущениям, связанным с хеш-функциями.

Несоответствие в кодировании поля, порядке байтов, заполнении или разделении доменов может нарушить проверку.

Хеш-функции, дружественные к STARK, повышают внутреннюю эффективность, но кроссчейн-системам все еще необходима точная совместимость с внешними протоколами.

Поэтому выбор хеш-функции — это вопрос не только производительности, но и безопасности моста.

Хеш-функции, дружественные к STARK, и проверка доказательств Меркла

Проверка доказательств Меркла часто является основной причиной использования хеш-функции, дружественной к STARK.

Доказательство Меркла показывает, что лист принадлежит зафиксированному корню дерева.

Чтобы проверить доказательство внутри STARK, прувер должен вычислить каждый хеш вдоль пути.

Если дерево глубокое, доказательство может требовать множества повторяющихся хешей.

Если каждый хеш затратен, затратным становится все доказательство.

Хеши в стиле Poseidon могут снизить эту нагрузку во многих системах доказательств на основе полей.

Это помогает приложениям, использующим деревья Меркла для коммитментов состояния, белых списков, снимков состояния токенов, приватных заметок, сообщений мостов и коммитментов доступности данных.

Дерево Меркла, построенное с хеш-функцией, дружественной к STARK, может быть эффективным внутри доказательства, но хуже совместимым с системами, ожидающими традиционные корни хешей.

Разработчикам следует определить, предназначено ли дерево Меркла преимущественно для внутреннего использования в доказательствах или внешней совместимости.

Лучший хеш зависит от того, где и как будет проверяться доказательство.

Хеш-функции, дружественные к STARK, и оборудование

Дружественность к STARK не всегда означает наивысшую скорость на обычном оборудовании.

Традиционная хеш-функция, такая как SHA-256, может быть чрезвычайно быстрой на CPU, GPU, ASIC и в оптимизированных библиотеках.

Нативная для поля хеш-функция может быть медленнее в обычном ПО, но дешевле внутри системы доказательств.

Это различие важно при бенчмаркинге.

Разработчикам не следует сравнивать хеш-функции только по их исходной скорости в ПО.

Им следует сравнивать время работы прувера, ограничения доказательства, потребление памяти, стоимость верификации, зрелость аудитов и совместимость.

Хеш, который выглядит медленнее в обычном Rust, C++ или JavaScript, все же может быть лучше для прувера STARK.

Хеш, быстрый внутри доказательства, может не быть идеальным для проверки целостности данных общего назначения вне доказательства.

Разные среды вознаграждают разные конструкции.

Дружественность к STARK означает прежде всего удобство для доказательств, а не универсальную максимальную скорость в любых условиях.

Хеш-функции, дружественные к STARK, и квантовая устойчивость

STARK часто обсуждаются как системы, опирающиеся главным образом на хеш-функции и теоретико-информационные методы, а не на спаривания эллиптических кривых.

Это дает системам STARK иной профиль безопасности по сравнению с некоторыми системами доказательств, использующими кривые, дружественные к спариваниям.

Однако пользователям следует осторожно относиться к широким заявлениям о квантовой устойчивости.

Хеш-функция, дружественная к STARK, все еще зависит от безопасности самой хеш-функции и выбранных параметров безопасности.

Квантовые алгоритмы могут влиять на уровни безопасности, изменяя фактическую стоимость некоторых атак.

Разработчикам могут потребоваться более крупные размеры выходных данных или более строгие параметры для сохранения желаемого запаса безопасности.

Термин STARK-friendly не означает автоматически защиту в будущем от каждой криптографической угрозы.

Он означает, что хеш эффективен в системе доказательств в стиле STARK.

Устойчивость к классическим и квантовым атакующим все равно необходимо оценивать отдельно.

Надежная криптографическая инженерия не превращает маркетинговые термины в гарантии безопасности.

Преимущества хеш-функции, дружественной к STARK

Первое преимущество хеш-функции, дружественной к STARK, — более низкая стоимость доказательства.

Меньшее количество алгебраических ограничений может снизить нагрузку на прувер.

Второе преимущество — более быстрая генерация доказательств для приложений с интенсивным хешированием.

Это может улучшить пользовательский опыт в роллапах, инструментах конфиденциальности и проверяемых приложениях.

Третье преимущество — более дешевая проверка доказательств Меркла внутри STARK.

Это важно для деревьев состояния, деревьев нуллификаторов, белых списков и деревьев коммитментов.

Четвертое преимущество — лучшее соответствие арифметике конечных полей.

Нативные для поля операции легче арифметизировать, чем многие побитовые операции.

Пятое преимущество — масштабируемость пакетной обработки.

Когда множество хешей доказываются вместе, прирост эффективности может значительно накапливаться.

Риски и ограничения хеш-функций, дружественных к STARK

Первый риск — меньшая зрелость по сравнению со старыми традиционными хеш-функциями.

Некоторые хеш-функции, дружественные к STARK, имеют меньший объем многолетнего практического анализа, чем SHA-256 или Keccak.

Второй риск — неправильное использование параметров.

Изменение раундов, констант, выбора поля или кодировок может ослабить безопасность.

Третий риск — сбой совместимости.

Протокол, ожидающий Keccak или SHA-256, не может просто принять Poseidon без изменения правил верификации.

Четвертый риск — ошибки реализации.

Ошибки в арифметике поля, сериализации, порядке байтов и модульном приведении могут нарушить корректность.

Пятый риск — отсутствие разделения доменов.

Использование одинаковых входов хеша в разных контекстах без меток может создать опасную неоднозначность.

Шестой риск — чрезмерное обобщение.

Хеш-функция, эффективная в одной системе доказательств, может быть неидеальной в другой.

Разработчикам следует рассматривать хеш-функции, дружественные к STARK, как специализированные криптографические инструменты, а не как прямую замену каждой хеш-функции.

Распространенные заблуждения о хеш-функциях, дружественных к STARK

Одно из распространенных заблуждений заключается в том, что хеш-функция, дружественная к STARK, автоматически безопаснее SHA-256 или Keccak.

Дружественность к STARK означает эффективность для доказательств STARK, а не универсально более высокую надежность.

Другое заблуждение состоит в том, что традиционные хеш-функции устарели.

Традиционные хеш-функции остаются незаменимыми для многих блокчейн-протоколов, подписей, адресов и уровней совместимости.

Третье заблуждение — что Poseidon, Pedersen и Rescue взаимозаменяемы.

У них разные конструкции, параметры, профили производительности и роли в экосистемах.

Четвертое заблуждение — что одна хеш-функция сама по себе делает систему приватной.

Конфиденциальность требует полноценной конструкции протокола, включая коммитменты, нуллификаторы, доказательства, кошельки и обработку данных.

Пятое заблуждение — что разработчики могут свободно менять параметры хеша ради скорости.

Криптографические параметры следует изменять только при наличии экспертного анализа и тщательной проверки.

Как оценить хеш-функцию, дружественную к STARK

Начните с проверки, разработан ли хеш для конкретной используемой вами системы доказательств.

Проверьте, работает ли хеш над тем же конечным полем, что и ваша система STARK.

Проверьте, опубликован ли криптографический анализ хеш-функции.

Проверьте, стандартизированы ли параметры, задокументированы ли они и прошли ли широкую проверку.

Оцените стоимость работы прувера, потребление памяти и ограничения доказательств на вашей фактической нагрузке.

Проверьте, существуют ли надежные библиотеки для вашей среды программирования.

Проверьте, поддерживается ли хеш вашей сетью, кошельком, языком контрактов или стеком прувера.

Проверьте, требуется ли хешу совместимость с существующими данными Keccak, SHA-256 или Pedersen.

Тщательно изучите правила разделения доменов и кодирования входных данных.

Не выбирайте хеш только потому, что он показывает более низкий результат в одном изолированном тесте.

Лучшие практики для разработчиков

Используйте официальные хеш-функции протокола при расчете хешей транзакций, ключей хранилища, подписей или адресов.

Используйте рекомендуемые хеш-функции, дружественные к STARK, для внутренних коммитментов, нативных для доказательств, если это допускает совместимость.

Следуйте официальной документации Cairo, Starknet или выбранного STARK-фреймворка.

Не создавайте собственные параметры хеш-функций, если у вас нет криптографической экспертизы и независимой проверки.

Используйте четкое разделение доменов для разных контекстов хеширования.

Используйте однозначную сериализацию элементов поля, массивов байтов, списков и пар.

Проверяйте выходы хеш-функций по известным тестовым векторам.

Проводите аудит кода, преобразующего байты в элементы поля и обратно.

Оценивайте стоимость работы прувера на реалистичных нагрузках, а не измеряйте только скорость хеширования в ПО.

Документируйте, почему используется каждая хеш-функция и от каких допущений совместимости она зависит.

Лучшие практики для пользователей

Понимайте, что хеш-функции, дружественные к STARK, в основном являются инфраструктурными инструментами, используемыми кошельками, роллапами, контрактами и системами доказательств.

Не считайте проект безопасным только потому, что он использует Poseidon, Pedersen, Rescue или другую ZK-friendly хеш-функцию.

Проверяйте, есть ли у приложения аудиты, официальная документация и четко сформулированные допущения безопасности.

Будьте осторожны с мостами, поскольку совместимость хеш-функций между сетями может быть сложной.

Используйте надежное ПО кошельков, соблюдающее официальные правила хеширования целевой сети.

Не воспроизводите вручную хеши транзакций, если не понимаете спецификацию протокола.

Помните, что эффективность хеширования не устраняет риск смарт-контрактов, риск ключей, риск оракулов или риск мостов.

Понимайте, что приватным приложениям для защиты данных пользователей требуется больше, чем одна хеш-функция.

Следите за обновлениями протокола, которые меняют рекомендуемые хеш-функции или форматы транзакций.

Считайте выбор хеш-функции признаком качества инженерной работы только в сочетании с надежной реализацией и проверкой.

FAQ

Что означает STARK-friendly hash?

STARK-friendly hash — это хеш-функция, созданная для эффективной работы внутри систем доказательств STARK за счет использования операций, которые легко выразить как алгебраические ограничения.

Почему хеш-функции, дружественные к STARK, используются в криптовалютной сфере?

Они используются потому, что роллапы, системы конфиденциальности, деревья Меркла и коммитменты часто требуют множества хешей, а эффективные хеш-функции могут снизить стоимость доказательства.

Является ли Poseidon хеш-функцией, дружественной к STARK?

Да, Poseidon — широко используемая ZK-friendly хеш-функция, эффективная во многих системах доказательств на основе конечных полей и рекомендуемая для многих программ Cairo.

Является ли Pedersen хеш-функцией, дружественной к STARK?

Pedersen использовалась в Starknet и других криптографических системах, однако для новых нагрузок доказательств STARK часто предпочитают Poseidon, поскольку в соответствующих контекстах она может быть дешевле и быстрее.

Является ли SHA-256 дружественной к STARK?

SHA-256 надежна и широко используется, но обычно не считается дружественной к STARK, поскольку ее побитовые операции могут быть затратными для доказательства во многих алгебраических системах доказательств.

Является ли Keccak дружественной к STARK?

Keccak широко используется в блокчейн-системах, но ее конструкция на уровне битов может быть затратной внутри систем доказательств на основе полей по сравнению с хешами, разработанными для алгебраической арифметизации.

Означает ли STARK-friendly более высокую безопасность?

Нет. STARK-friendly означает эффективность для доказательств STARK, тогда как безопасность зависит от криптографической конструкции, параметров, реализации и проверки.

Где используются хеш-функции, дружественные к STARK?

Они применяются в деревьях Меркла, коммитментах, нуллификаторах, хешировании транзакций, ключах хранилища, обновлениях состояния роллапов, системах конфиденциальности и нативной для доказательств логике приложений.

Могут ли разработчики заменить каждую хеш-функцию на Poseidon?

Нет. Разработчики должны использовать хеш-функцию, требуемую каждым контекстом протокола, поскольку адреса, структуры хранилища, подписи и доказательства мостов могут зависеть от конкретных хеш-функций.

Каков основной риск использования хеш-функции, дружественной к STARK?

Основные риски — неправильное использование параметров, ошибки реализации, слабое разделение доменов и применение хеш-функции там, где для совместимости требуется другая.

Заключение

Хеш-функция, дружественная к STARK, — это хеш-функция, оптимизированная для эффективного доказательства внутри систем с нулевым разглашением на базе STARK.

Она разработана для эффективной работы с конечными полями, алгебраическими ограничениями и вычислениями, нативными для доказательств.

Это отличает ее от традиционных хеш-функций, таких как SHA-256 и Keccak, которые отлично подходят для задач общего назначения, но могут быть затратными для доказательства во многих ZK-средах.

Хеш-функции, дружественные к STARK, важны, поскольку роллапы, протоколы конфиденциальности, деревья Меркла, коммитменты, нуллификаторы, ключи хранилища и хеши транзакций могут требовать огромного объема хеширования.

Poseidon — один из самых известных примеров, и официальная документация Cairo рекомендует ее для многих программ Cairo, поскольку в контексте доказательств STARK она дешевле и быстрее Pedersen.

Pedersen остается важной в устаревших контекстах Starknet и других криптографических системах.

Rescue и другие хеш-функции, ориентированные на арифметизацию, показывают, что эта область продолжает развиваться.

Главное преимущество хеш-функции, дружественной к STARK, — более низкая стоимость доказательства при нагрузках с интенсивным хешированием.

Главный риск — предположение, что эффективность доказательств автоматически означает универсальную безопасность или универсальную совместимость.

Разработчики должны следовать официальным спецификациям, использовать проверенные параметры, применять разделение доменов, тщательно тестировать сериализацию и выбирать подходящую хеш-функцию для каждого контекста протокола.

Пользователям не нужно напрямую управлять этими хешами, но они получают выгоду, когда роллапы, кошельки и приложения конфиденциальности используют их корректно.

В контексте криптовалютного глоссария STARK-Friendly Hash означает эффективную для доказательств хеш-функцию, разработанную для систем STARK, где необходимо сбалансировать алгебраическую производительность, криптографическую безопасность и совместимость протоколов.

Главный вывод: хеш-функции, дружественные к STARK, помогают делать блокчейн-системы с нулевым разглашением быстрее и дешевле, но их необходимо реализовывать с тщательной криптографической дисциплиной и строгим соблюдением правил протокола.