有限域的Fast Multiplication和Modular Reduction算法实现
1. 引言
关于有限域的基础知识,可参考:
- RISC Zero团队2022年11月视频 Intro to Finite Fields: RISC Zero Study Club
有限域几乎是密码学中所有数学的基础。
ZKP证明系统中的所有运算都是基于有限域的:
- 使用布尔运算的数字电路:如AND、OR、NOT。
- 使用有限域运算的算术电路:如addition、multiplication、negation。
但是,真实的计算机没有有限域电路装置,只有:
- ADD rax, rbx
- MUL rax
- SHR rax, CL
- 等等
因此,需基于以上运算来构建有限域运算。
有限域运算的速度很关键,原因在于:
- 影响ZKP可用性的最大障碍在于证明开销。
- 几乎所有的证明时间都用于有限域运算了。为提升ZKP证明速度:
- 减少有限域运算次数(如,更高效的NTT或MSM算法)
- 让有限域运算更高效(如,使用优化的有限域表示)
本文主要关注内容有:
- BigInts
- BigInts经典加法运算
- BigInts经典乘法运算
- Modular reduction(Barrett算法):当无法更改数字表示时,最有用。
- Montgomery form
- Multiplication and reduction(Montgomery算法):最常用算法。
- 其它multiplication算法
并对大整数乘法运算的经典算法、Barrett算法、Montgomery算法进行了对比:
2. 大整数及其加法和乘法运算
大整数,又名BigInt或Multiprecision Integers。
真实计算机的运算符是基于word的:
- 几乎所有的现代计算机都使用64-bit words
- 但32-bit words并未完全过时。比如在IoT世界。
对于更大(如256位)的域,会将其切分为words来表示:
- 如,通常以4个64-bit word来表示256-bit数字。
- 如十进制的8位数字,可 以4个2-digit word来表示。
如以100进制的digit来表示大整数27311837,对应为:
( 27 31 18 37 ) 100 (27\ 31\ 18\ 37)_{100} (27 31 18 37)100。
2.1 大整数经典加法运算
对应的大整数加法运算,如 ( 27 31 18 37 ) 100 + ( 88 68 97 89 ) 100 (27\ 31\ 18\ 37)_{100} + (88\ 68\ 97\ 89)_{100} (27 31 18 37)100+(88 68 97 89)100,计算规则为:
具体见Handbook of Elliptic and Hyperelliptic Curve Cryptography书本中的Algorithm 10.3算法:
2.2 大整数经典乘法运算
以 ( 54 12 ) 100 ∗ ( 36 29 ) 100 (54\ 12)_{100}*(36\ 29)_{100} (54 12)100∗(36 29)100大整数乘法运算为例,具体见Handbook of Elliptic and Hyperelliptic Curve Cryptography书本中的Algorithm 10.8算法:
对应各个step的计算数据为:
3. Modular Reduction
需注意,以上加法和乘法运算结果均为更大的值,需将这些大的结果值reduce为相应的canonical表示,如:
常见的Modular Reduction算法有:
- 1)Barret reduction算法:当无法更改数字表示时,最有用。
- 2)Montgomery multiplication and reduction算法:最常用算法。
相关博客有:
- 基础算法优化——Fast Modular Multiplication
- GPU/CPU友好的模乘算法:Multi-Precision Fast Modular Multiplication
- Montgomery reduction——多精度模乘法运算算法
3.1 Barret reduction算法
做reduction最明显的方式是做除法,但除法运算昂贵,且可能不是constant time的。以single-word除法运算 b = 1 , R = 2 k b=1,R=2^k b=1,R=2k 为例:
func reduce(a uint) uint {q:= a / n // Division implicitly returns the floor of the result.return a - q * n
}
非constant time会存在timing attack攻击问题。
Barrett reduction为将 1 / n 1/n 1/n近似为 m / 2 k m/2^k m/2k,因为 m / 2 k m/2^k m/2k中的除法实际是右移运算,要便宜得多。【可近似计算 m m m值为 m = ⌊ 2 k / n ⌋ m=\left \lfloor 2^k/n\right \rfloor m=⌊2k/n⌋】
func reduce(a uint) uint {q := (a * m) >> k // ">> k" denotes bitshift by k.return a - q * n
}
不过这样reduce之后的结果在 [ 0 , 2 n ) [0,2n) [0,2n),而不是 [ 0 , n ) [0,n) [0,n),因此需进一步reduce:
func reduce(a uint) uint {q := (a * m) >> ka -= q * nif a >= n {a -= n}return a
}
Handbook of Elliptic and Hyperelliptic Curve Cryptography书本中的Algorithm 10.17算法,将其扩展为了multi-word Barrett Reduction算法,且在以上最后一步reduce之前的结果不再是 [ 0 , 2 n ) [0,2n) [0,2n)而是可能更大的范围值,因此在Algorithm 10.17算法中第4步采用的是while
:
3.2 Montgomery multiplication and reduction算法
Montgomery Form为另一种有限域表示,其支持快速combined multiplication and reduction算法。
之前将有限域元素表示为:
x ∈ [ 0 , N − 1 ] x\in [0,N-1] x∈[0,N−1]
而Montgomery Form表示定义为:
[ x ] = ( x R ) m o d N [x]=(xR)\mod N [x]=(xR)modN
Montgomery Reduction算法计算的是:
R E D C ( u ) = ( u R − 1 ) m o d N REDC(u)=(uR^{-1})\mod N REDC(u)=(uR−1)modN
而不是之前Barrett Reduction计算的 u m o d N u\mod N umodN。
R E D C REDC REDC是一个非常多功能的公式:
- 1)将经典转换为Montgomery: [ x ] = R E D C ( ( x R 2 ) m o d N ) [x]=REDC((xR^2)\mod N) [x]=REDC((xR2)modN)
- 2)将Montgomery转换为经典: R E D C ( [ x ] ) = x REDC([x])=x REDC([x])=x
- 3)对Montgomery Form表示的乘法运算: ( ( x R m o d p ) ∗ ( y R m o d p ) ∗ R − 1 m o d p ) = ( x y R ) m o d p ((xR\mod p)*(yR\mod p)*R^{-1}\mod p)=(xyR)\mod p ((xRmodp)∗(yRmodp)∗R−1modp)=(xyR)modp,对应在Handbook of Elliptic and Hyperelliptic Curve Cryptography书本中的Algorithm 11.3算法中做了相应实现:
其中 Handbook of Elliptic and Hyperelliptic Curve Cryptography书本中的Algorithm 10.22算法中所实现的Montgomery reduction算法为:
4. 其它multiplication算法
Multiplication算法的演变过程为:
- multiplication算法曾被认为其runtime约为 O ( n 2 ) O(n^2) O(n2)。
- Karatsuba发明了一种divide-and-conquer算法,其runtime为 O ( n 1.58 ) O(n^{1.58}) O(n1.58)。
- Toom-Cook乘法算法与Karatsuba算法类似,性能略好一点。
- Schönhage–Strassen 发明了一种NTT算法,其runtime为 O ( n ⋅ log n ⋅ log log n ) O(n\cdot \log n\cdot \log\log n) O(n⋅logn⋅loglogn)。
- 当对大整数做乘法运算时,其速度要更慢,如4096位RSA密钥。
参考资料
[1] RISC Zero团队2023年2月视频 Finite Field Implementations: Barrett & Montgomery【slide见Finite Field Implementations】
[2] 维基百科Barrett reduction
RISC Zero系列博客
- RISC0:Towards a Unified Compilation Framework for Zero Knowledge
- Risc Zero ZKVM:zk-STARKs + RISC-V
- 2023年 ZK Hack以及ZK Summit 亮点记
- RISC Zero zkVM 白皮书
- Risc0:使用Continunations来证明任意EVM交易
- Zeth:首个Type 0 zkEVM
- RISC Zero项目简介
- RISC Zero zkVM性能指标
- Continuations:扩展RISC Zero zkVM支持(无限)大计算
- A summary on the FRI low degree test前2页导读
- Reed-Solomon Codes及其与RISC Zero zkVM的关系
- RISC Zero zkVM架构
- RISC-V与RISC Zero zkVM的关系
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