arkworks工具栈概览

1. 引言

arkworks定位为zkSNARK编程的Rust生态。其开源代码见：

• https://github.com/arkworks-rs/

arkworks目前已广泛用于大量项目中，如：Aleo、anoma、celo、Espresso、Findora、Manta、Mina、Nimiq、penumbra等等。

参与arkworks开源实现的contributors众多：

arkworks通过通用抽象和模块化的设计，其总体工具栈架构为：

其中：

• 1）Algebra（通用有限域、曲线和多项式接口层）：希望达成的效果为：很容易添加实现新的域或曲线；性能与特定手工优化的实现相当甚至更优。不希望有大量重复冗余的代码和工作量。

  • 所有SNARKs都需要高效有限域运算（ark-ff），以及基于这些有限域的高效多项式运算（ark-poly）。
  • 许多流行的SNARKs（如Groth16、Marlin、PLONK、Halo等）还要求实现扩域（ark-ff） 以及基于这些扩域的 椭圆曲线（ark-ec为抽象的各种traits，ark-curves为具体的椭圆曲线实现）。

  基于人类工程学考虑，为实现椭圆曲线，相应的流程为：

  • 1.1）实现相关的域
  • 1.2）实现该曲线
    • 1.2.1）指定曲线方程式系数。
    • 1.2.2）指定cofactor和generator。
      
      
      如上所示，arkworks抽象出的接口非常简单高效，很容易实现新曲线，如：
  • 以太坊、ZCash、Algorand使用的：BLS12-381，以及相应的Jubjub和Bandersnatch曲线。
  • 以太坊使用的：BN254曲线。
  • Mina和ZCash使用的：Palla和Vesta 2-cycle曲线。
  • Celo和Aleo使用的：BLS12-377，以及相应的BW6和CP6曲线。
  • MNT6-298和MNT4-298 2-cycle曲线。
  • MNT4-753和MNT6-753 2-cycle曲线。
    

  同时arkworks模块化的设计，其通用曲线接口规范，很容易在不同曲线间切换，如：
  
  arkworks的通用实现，与特定专业且手工优化实现，性能相当或更优：
  

• 2）SNARK开发（通用SNARK和约束系统接口层）：主要关心的是：性能优化；数学实现；易于比较和benchmark。不关心曲线细节，以及约束生成。
  模块化目的是：通过通用SNARK接口，使得易于在不同证明系统和多项式承诺方案间切换。
  
  人类工程学考虑为：代码应与数学公式匹配，以便于审计和发现bug。如以Groth16 Verifier为例：
  

• 3）约束系统编程（通用SNARK应用框架）：直接编写代数约束是痛苦的。有多种高级方法来编写约束系统并编译为代数约束，但需要在性能和人类工程学中做权衡。
  其关注的点是：好的性能；具备人类工程需的约束编写体验。不关注的点是：SNARKs细节，以及曲线细节。
  以Karatsuba乘法为例：
  
  而arkworks的约束编写与直观算法匹配，符合人类工程学设计，易于审计：
  

参考问下

[1] 2022年4月视频 arkworks: Rust Ecosystem for zkSNARKs