zk-Bench：SNARKs性能对比评估工具

1. 引言

JENS ERNSTBERGER等人2023年论文《zk-Bench: A Toolset for Comparative Evaluation and Performance Benchmarking of SNARKs》。

zk-Bench，定位为：

• 定位为首个公钥密码学性能评估基准测试框架和工具，重点关注通用ZKP系统的实测评估。

现有其它性能评估工具：

• 1）https://github.com/anoma/zkp-compiler-shootout：评估了RISC0、Miden、Triton、Plonk、Halo2等。
• 2）https://github.com/delendum-xyz/zk-benchmarking：评估了RISC0和Miden。

当前，使用zk-Bench：

• 1）收集了9个库所实现的13条不同椭圆曲线数据
• 2）评估了ZKP开发的5个工具
• 3）提供了Plonk证明系统驱动的密码学协议的评估工具，对达百万级电路的精度为6%-32%

zk-Bench架构中包含3大部分：

• 1）arithmetic backend：算术化后端，覆盖了有限域运算和椭圆曲线运算。
• 2）circuit backend：电路后端
• 3）dual frontend：双前端：
  • 3.1）Zkalc：为JavaScript库和公开网站：用于：
    • 评估密码学运算的执行时间
    • 不同库和编程语言的性能对比，并图示
  • 3.2） zk-Harness：为web应用。以展示每种ZKP开发工具或库，在不同负载下的计算时长、内存、proof size。

ZKP系统中包含3大类算法：

• 1）$Setup(pp)->(pk,vk)$：以公共参数$pp$为输入，计算并输出证明密钥$pk$和验证密钥$vk$。
• 2）$Prove(pk,x,w)->\pi$：以证明密钥$pk$、instance $x$、witness $w$为输入，有$(x,w)\in \mathcal{R}$，计算并输出proof $\pi$。
• 3）$Verify(vk,x,\pi )->0/1$：以验证密钥$vk$、instance $x$、proof $\pi$为输入，若该proof有效，则输出1，否则输出0。

其中：

• 绿色边框：表示前端。前端操作有：
  • Circuit
  • Constraint System
  • Witness Generation
• 红色边框：表示后端。后端操作有：
  • Setup
  • Prover
  • Verifier
• 灰色背景：表示公开输入
• 蓝色背景：表示秘密输入
• 实线边框：表示链下操作
• 虚线边框：表示链上操作

ZKP系统中，相同的运算，可具有不同的表示形式：

• R1CS
• Plonkish
  

不同算术库和椭圆曲线的性能对比为：

所用的各种测试机器配置情况为：

不同库的BN254和BLS12-381基础运算（Field Addition和Field Multiplication）性能对比为：

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