STARKフレンドリー・ハッシュ

STARKフレンドリー・ハッシュとは？

STARKフレンドリー・ハッシュとは、STARK証明システムやその他の代数的ゼロ知識証明環境内で効率的に動作するよう設計された暗号学的ハッシュ関数です。

暗号資産の分野では、ハッシュ関数はデータを固定長の出力に圧縮し、Merkleツリーの構築、コミットメントの作成、識別子の導出、整合性の確認、ブロックチェーンにおける多くのセキュリティ処理の支援に使われます。

STARKフレンドリー・ハッシュは通常のハッシュ関数と同じ基本的な役割を果たしますが、有限体と多項式制約上で効率的に動作するよう構築されています。

これは、STARK証明が、証明者が証明し検証者が確認する必要がある代数的記述によって計算を表現するため重要です。

ハッシュ関数を単純な代数的制約として表現しにくい場合、多数のハッシュを証明する処理は低速かつ高コストになります。

SHA-256やKeccakなどの従来型ハッシュは、通常のソフトウェアやブロックチェーンのコンセンサスには優れていますが、多くのゼロ知識証明回路やSTARK算術化の内部ではコストが高くなる場合があります。

そのためSTARKフレンドリー・ハッシュは、CPU性能だけでなく証明生成に最適化されています。

公式のStarkWare STARK技術ページでは、STARK証明について、必要な補助入力とともに実際に計算を実行したオフチェーンの証明者のみが生成できる証明と説明されています。

計算の証明が中心的なコストとなるため、その計算内で使用するハッシュ関数は慎重に選ぶ必要があります。

簡単に言えば、STARKフレンドリー・ハッシュとは、STARKベースのブロックチェーンシステム内で、より容易に、低コストかつ高速に証明できるハッシュ関数です。

STARKフレンドリー・ハッシュが重要な理由

ゼロ知識システムでは膨大な量のデータをハッシュする必要があるため、STARKフレンドリー・ハッシュは重要です。

ロールアップでは、トランザクションデータ、アカウント更新、状態コミットメント、Merkleパス、メッセージ、証明入力をハッシュする場合があります。

プライバシープロトコルでは、ノート、ヌリファイア、コミットメント、秘密情報、Merkleツリーのリーフをハッシュする場合があります。

ブロックチェーンの実行レイヤーでは、トランザクションフィールド、コントラクト呼び出し、ストレージキー、アカウントデータをハッシュする場合があります。

各ハッシュに多数の代数的制約が必要であれば、証明はより重くなります。

証明が重くなると、証明者の処理時間、メモリ使用量、コスト、ユーザーの待ち時間が増加する可能性があります。

Poseidonハッシュの論文では、Poseidonはゼロ知識証明システム向けに設計され、著者らが分析した設定ではPedersenハッシュと比べ、メッセージ1ビット当たりに必要な制約を大幅に減らせると述べられています。

ハッシュは証明負荷の高いアプリケーションで数千回から数百万回繰り返されることが多いため、この種の効率改善は重要です。

暗号資産ユーザーにとって、より適切なハッシュ選択は、間接的に取引コストの低下、証明生成の高速化、インフラコストの削減、アプリケーションのスケーラビリティ向上につながる可能性があります。

開発者にとって、STARKフレンドリーなハッシュ化はZKアプリケーションアーキテクチャにおける最も重要な設計判断の一つです。

STARKとは？

STARKはScalable Transparent Argument of Knowledgeの略です。

STARK証明により、証明者は検証者が計算全体を再実行することなく、計算が正しく実行されたことを示せます。

scalableは、大規模な計算を効率的に証明するという目標を指します。

transparentは、一部の他の証明システムとは異なり、同じような信頼されたセットアップ儀式に依存しないことを意味します。

argumentは、明示された仮定の下で強力な暗号学的保証を提供することを意味します。

of knowledgeは、証明者がその記述を満たすデータまたは計算を知っていることを示すという意味です。

ブロックチェーンシステムでは、STARKは有効性ロールアップ、検証可能な計算、プライバシーシステム、スケーラブルな実行に使用されることが多くあります。

公式のStarknetウェブサイトでは、StarknetはSTARK技術を使用し、オフチェーンのトランザクションを暗号学的に検証する有効性ロールアップと説明されています。

コミットメントとMerkleツリーは中核的な構成要素であるため、これらのシステムの内部ではハッシュ関数が絶えず使用されます。

そのためSTARKフレンドリー・ハッシュは小さな技術的詳細ではなく、スケーラブルな証明エンジニアリングの中核部分です。

STARKフレンドリー・ハッシュの仕組み

STARKフレンドリー・ハッシュは通常、データをバイトやビット単位の演算としてのみ扱うのではなく、有限体上で動作します。

有限体は、加算、減算、乗算、除算がモジュラー算術の規則に従って機能する数学的集合です。

STARK証明システムは、有限体と多項式制約を中心に自然に構築されています。

体の加算、乗算、単純なべき乗、線形レイヤーを使用するハッシュ関数は、ビット回転、ブール論理、バイトレベルの操作に基づくハッシュ関数よりも証明しやすい場合があります。

多くのSTARKフレンドリー・ハッシュは、置換ベースの設計を採用しています。

置換ベースのハッシュは、非線形および線形操作のラウンドを通じて状態を繰り返し変換します。

非線形レイヤーは代数的攻撃や差分攻撃に対する安全性を提供します。

線形レイヤーは内部状態全体に変更を拡散させます。

最終出力は変換後の状態の一部から取得されます。

設計目標は、ハッシュの暗号学的強度を保ちながら、各ラウンドを証明システム内で低コストに表現することです。

STARKフレンドリー・ハッシュと通常のハッシュの比較

通常のハッシュ関数は、一般にソフトウェア速度、ハードウェア速度、安全性分析、幅広い互換性に最適化されています。

STARKフレンドリー・ハッシュは、代数的証明システム内で効率的に証明を生成することに最適化されています。

SHA-256は強力かつ広く使用されているハッシュ関数ですが、そのビット演算は多くの算術回路で表現するには高コストになる場合があります。

Keccakはブロックチェーンシステムで広く使われていますが、そのビットレベルの置換も、体算術を優先する証明システムでは高コストになる可能性があります。

STARKフレンドリー・ハッシュは、そうした高コストなビット演算の多くを避けます。

証明システムのネイティブな体に適した操作を使用します。

これは通常のハッシュが劣っていることを意味するわけではありません。

単に異なる環境向けに設計されたことを意味します。

通常のブロックチェーン署名、トランザクション識別子、既存プロトコルとの互換性では、従来型ハッシュが引き続き必要になる場合があります。

内部ZK回路、Merkleツリー、証明ネイティブなコミットメントでは、STARKフレンドリー・ハッシュの方がはるかに効率的な場合があります。

STARKフレンドリー・ハッシュとZKフレンドリー・ハッシュの比較

STARKフレンドリー・ハッシュは、ZKフレンドリー・ハッシュの一種です。

ZKフレンドリー・ハッシュは、ゼロ知識証明システム向けに設計されたハッシュ関数のより広い分類です。

STARKフレンドリー・ハッシュは、AIRや関連する多項式制約システムなど、STARK形式の算術化における効率性に重点を置きます。

ハッシュ関数の中には、SNARK回路、STARK回路、PLONK形式のシステム、R1CS、または複数の証明システム向けに同時に設計されたものもあります。

最適なハッシュの選択は、証明システム、有限体、回路言語、セキュリティレベル、証明コスト、実装環境に依存します。

ある証明システムで効率的なハッシュが、別のシステムで最適とは限りません。

例えば、素数体SNARK向けに最適化されたハッシュは、二元体STARKには理想的でない場合があります。

したがって開発者は、「ZKフレンドリー」を万能なラベルとして扱うべきではありません。

より正確な問いは、使用する特定の証明システムに対して、そのハッシュが効率的かつ安全かどうかです。

STARKフレンドリー・ハッシュは、STARK固有の方法でZKフレンドリーです。

SHA-256とKeccakがSTARKで高コストになり得る理由

SHA-256とKeccakは、主に代数的証明システム向けに設計されたものではありません。

SHA-256は、回転、シフト、XOR、ブール関数など、多数のビット演算を使用します。

Keccakもスポンジ置換の内部でビットレベルの操作を使用します。

プロセッサはビットとバイトを自然に処理するため、これらの操作は通常のコンピューターでは効率的です。

一方、STARK証明者は多くの場合、体要素と多項式制約を扱います。

各ビット操作を体制約内で表現するには、多数の追加ステップが必要になる場合があります。

これらの追加ステップにより、証明者の作業量と証明システムの複雑性が増加します。

そのためSTARKフレンドリー・ハッシュは、証明システムに直接適合する代数的操作の使用を目指します。

既存のチェーン、ブリッジ、アドレス形式との互換性のため、従来型ハッシュが依然必要となる場合もあります。

ただし、多くの内部証明ワークフローでは、STARKフレンドリー・ハッシュの方がより適したエンジニアリング上の選択となる場合があります。

Poseidonハッシュ

Poseidonは、最も広く議論されているZKフレンドリー・ハッシュ関数の一つです。

有限体上で効率的に動作し、証明システムで必要な制約数を削減するよう設計されています。

Poseidonに関するUSENIX Securityのプレゼンテーションページでは、Poseidonは有限体オブジェクトをネイティブに扱う、ゼロ知識証明システム向けのハッシュ関数と説明されています。

Poseidonは、代数的置換に基づくスポンジ形式の構造を使用します。

複数のラウンドにわたり、非線形S-box操作と線形混合レイヤーを適用します。

主な利点は、多くのZK環境において、従来のバイト指向ハッシュよりも大幅に低コストで証明できる点です。

Poseidonは、Merkleツリー、コミットメント、ヌリファイア、証明負荷の高いアプリケーションにおける内部ハッシュでよく使用されます。

StarknetおよびCairoの文脈では、証明効率の観点から多くのCairoプログラムに推奨されているため、Poseidonは重要です。

公式のハッシュの利用に関するCairo Bookのセクションでは、STARK証明システムで作業する場合、PoseidonはPedersenより低コストかつ高速であり、現在はCairoプログラムに推奨されるハッシュ関数であると説明されています。

このため、Poseidonは実用的なブロックチェーン開発におけるSTARKフレンドリー・ハッシュの代表例です。

Pedersenハッシュ

Pedersenハッシュも、STARKとStarknetの歴史において重要なハッシュ関数です。

Pedersenハッシュは楕円曲線演算に基づき、多くの暗号システムで使用されてきました。

公式のStarknet暗号技術ドキュメントでは、PedersenハッシュはStarknet仕様で使用されるハッシュ関数の一つとして記載されています。

Starknetは歴史的に、レガシーストレージマッピングの動作や旧システムコンポーネントを含む重要な箇所でPedersenハッシュを使用してきました。

公式Cairo Bookでは、PedersenはStarknetで最初に使用されたハッシュ関数であり、一部のレガシーストレージ関連の文脈では現在も使用されていると説明されています。

Pedersenは安全かつ有用であり得ますが、多くのSTARK証明ワークロードではPoseidonより効率が低い場合があります。

そのため、新しいCairo開発では、互換性のためにPedersenが必要でない限り、Poseidonが選ばれることが多くあります。

古いコントラクト、アドレス、ストレージスキームがPedersenに依存している場合があるため、Pedersenは引き続き重要です。

開発者は、各文脈でどのハッシュが求められるかを把握する必要があります。

誤ったハッシュ関数を使用すると、不正確なアドレス、壊れたストレージ参照、無効な署名、証明失敗が発生する可能性があります。

Rescueハッシュ

Rescueは、代数的証明システムで効率的に使えるよう構築された別のハッシュ設計です。

Poseidonと同様に、Rescueはビットレベルの論理ではなく有限体の操作を中心に設計されています。

Rescue形式のハッシュは、慎重に選ばれた非線形レイヤーと線形混合を伴う代数的置換を使用します。

目的は、強力な暗号学的安全性を提供しながら、証明制約の数を低く抑えることです。

Rescueは、Poseidon、Griffin、Anemoi、その他の最新ZKフレンドリー設計とともに、算術化指向ハッシュの同じ系統として議論されることが多くあります。

実装、パラメーター、セキュリティ上の仮定により、特定の証明システムに適する場合があります。

ただし、STARKフレンドリーであることは、そのハッシュをあらゆる場所で使用すべきことを自動的に意味しません。

開発者は、成熟した実装、監査済みパラメーター、エコシステムのサポート、明確なドメイン分離の実践があるか確認する必要があります。

Poseidonは多くのZKエコシステムで特に一般的になっていますが、Rescueもより広い設計空間の一部として重要です。

複数のSTARKフレンドリー・ハッシュが存在することは、この分野が現在も活発に進化していることを示しています。

Starknetのハッシュ関数

Starknetでは、プロトコルおよびアプリケーションの異なるニーズに応じて複数のハッシュ関数が使用されています。

公式Starknet暗号技術ドキュメントでは、Starknet Keccak、Pedersenハッシュ、PoseidonハッシュがStarknet仕様全体で使われるハッシュ関数として説明されています。

Starknet Keccakは、出力をSTARK体にマッピングするStarknet固有のKeccakバージョンです。

Pedersenはレガシーな文脈で使用されており、現在もStarknetの一部の動作に含まれています。

Poseidonは新しいトランザクションハッシュ計算で使用され、多くのCairoプログラミングの文脈で推奨されています。

公式のStarknetトランザクションフィールドおよびハッシュ計算リファレンスでは、v3トランザクションハッシュがトランザクション要素に対するPoseidonで計算されることが示されています。

これは、ハッシュの選択が単なる理論ではないため重要です。

ハッシュの選択は、トランザクション識別子、ストレージキー、署名、コントラクトの挙動、証明性能に直接影響します。

Starknet上で開発する開発者は、特定のプロトコルコンポーネントが要求するハッシュ関数に従う必要があります。

ユーザーはすべての詳細を知る必要はありませんが、同じエコシステム内でも異なるハッシュが異なる役割を果たすことを理解すべきです。

有限体

有限体は、多くのSTARKフレンドリー・ハッシュの数学的基盤です。

有限体には限られた数の要素が含まれ、その内部にとどまる算術演算をサポートします。

STARK証明システムが有限体を使用するのは、多項式恒等式、評価領域、代数的制約をその上で自然に表現できるためです。

STARKフレンドリー・ハッシュは、内部操作が体の加算、乗算、べき乗、行列形式の混合である場合に適切に機能します。

これらの操作は、ビット演算よりも証明システム内で直接的に表現できます。

これが、体ネイティブなハッシュがZK証明でより効率的となることが多い理由の一つです。

ただし、有限体に基づく設計ではパラメーターに関する問題も生じます。

ハッシュは選択した体上で安全でなければなりません。

S-boxの指数、ラウンド定数、状態幅、ラウンド数は慎重に選択する必要があります。

STARKフレンドリー・ハッシュは単なる「数学によるハッシュ化」ではなく、特定の代数的環境に合わせて調整された暗号設計です。

算術化

算術化とは、計算を証明システムが証明できる代数的制約へ変換するプロセスです。

STARKでは、計算を実行トレースとして表現し、多項式制約によって検証する場合があります。

ハッシュ関数は、比較的少数の単純な制約で表現できる場合、算術化フレンドリーです。

これがSTARKフレンドリー・ハッシュが存在する主な理由です。

ハッシュ関数がラウンドごとまたは入力ビットごとに多数の制約を必要とすると、すべてのMerkleパスとコミットメントが高コストになります。

ハッシュ関数が体ネイティブな操作を使う場合、算術化は大幅に小さくなる可能性があります。

より小さな算術化により、証明者の処理時間、メモリ使用量、証明生成コストを削減できる場合があります。

また、アプリケーションでより深いMerkleツリーや大規模なバッチを使用する助けにもなります。

開発者にとって算術化を理解することは、通常のソフトウェアに最適なハッシュが証明内部では最適でない理由を理解する助けとなります。

最適なSTARKフレンドリー・ハッシュとは、暗号学的安全性を維持しつつ、証明システムの代数的構造に適合するものです。

MerkleツリーとSTARKフレンドリー・ハッシュ

Merkleツリーは、STARKフレンドリー・ハッシュが最もよく使われる場所の一つです。

Merkleツリーはデータをリーフにハッシュし、その後ノードのペアまたはグループを繰り返しハッシュして、1つのルートを生成します。

Merkleルートは、状態コミットメント、包含証明、ロールアップバッチ、プライバシーノート、エアドロップリスト、その他多くの暗号資産ワークフローに使用されます。

証明システムがMerkleパスを検証する必要がある場合、多数のハッシュ操作を証明する必要があることがあります。

深いMerkleツリーでは、1つの証明に数十回のハッシュ計算が必要になる場合があります。

ロールアップまたはプライバシーシステムでは、1つのバッチで多数のMerkleパスを検証する場合があります。

このため、ハッシュ関数は主要なコスト要因になります。

STARKフレンドリー・ハッシュを使用すると、STARK内でのMerkle証明検証を大幅に低コスト化できます。

これにより、より大きな状態ツリー、より高速な証明、より低いアプリケーションコストを支援できます。

ZKシステムにおいて、Merkleツリーの実用性は内部で使用するハッシュ関数に大きく左右されます。

コミットメントとヌリファイア

プライバシー重視の暗号システムでは、コミットメントとヌリファイアがよく使用されます。

コミットメントは秘密値を隠しつつ、ユーザーをその値に拘束します。

ヌリファイアは、プライベートノートが使用された際に一意のタグを公開することで二重支払いを防ぎます。

コミットメントとヌリファイアはいずれもハッシュ関数に依存することが多くあります。

これらのハッシュがSTARK内で証明される場合、STARKフレンドリー・ハッシュにより証明コストを削減できます。

例えば、ユーザーは、ノート自体を公開せずに、そのコミットメントがMerkleツリー内に存在する秘密ノートを知っていることを証明できます。

この証明では、ノートのハッシュ、ヌリファイアの計算、Merkleパスの検証が必要になる場合があります。

これらすべてのステップでハッシュ操作が関与する可能性があります。

証明ネイティブなハッシュは、プライベートトランザクションをより効率的にできます。

このためSTARKフレンドリー・ハッシュは、スケーラビリティだけでなく実用的なプライバシーアプリケーションにとっても重要です。

ドメイン分離

ドメイン分離とは、同じハッシュ関数を異なる文脈で安全に使用できるよう、異なるラベル、プレフィックス、定数、入力構造を使用することです。

これは、Merkleツリーノード用のハッシュが、トランザクション、ヌリファイア、署名メッセージ、ストレージキー用のハッシュと意味の上で意図せず衝突しないようにするため重要です。

ドメイン分離は、プロトコル間の混同を防ぐのに役立ちます。

STARKフレンドリー・ハッシュでは、プレフィックス、定数、スポンジ容量、型付きエンコーディング、プロトコル固有の規則を通じてドメイン分離を構築できます。

開発者は、期待されるエンコーディングを理解せずに体要素を単純連結すべきではありません。

曖昧なエンコーディングは、ハッシュ関数自体が強力でもアプリケーションレベルの衝突を生む可能性があります。

例えば、2つの値をペアとしてハッシュすることを、より長い1つのリストをハッシュすることと混同してはいけません。

適切なドメイン分離は、証明システムをより安全にし、監査もしやすくします。

ハッシュ関数は暗号学的強度を提供しますが、プロトコル側で正しく使用しなければなりません。

多くのZKバグは、壊れたハッシュプリミティブではなく、不適切なデータエンコーディングから発生します。

セキュリティ要件

STARKフレンドリー・ハッシュにも通常の暗号学的安全性が必要です。

既知の出力に一致する入力を攻撃者が見つけようとする原像攻撃に耐性を持つ必要があります。

既知の入力と同じ出力を持つ別の入力を攻撃者が見つけようとする第二原像攻撃にも耐性を持つ必要があります。

異なる任意の2入力で同じ出力を得ようとする衝突攻撃にも耐性を持つ必要があります。

また、体ベースのハッシュ設計でより重要となる可能性がある代数的攻撃にも耐える必要があります。

効率性だけでは不十分です。

証明コストが低くても、暗号解析に対して弱いハッシュは危険です。

安全性は、ラウンド数、S-boxの選択、体サイズ、パラメーター生成、実装の正確性、ドメイン分離に依存します。

開発者は十分にレビューされたパラメーターを使用し、専門家のレビューなしにカスタムハッシュ設定を作成しないようにすべきです。

暗号技術では、小さなパラメーター変更が大きなセキュリティ問題を引き起こす可能性があります。

パラメーター選択

パラメーター選択は、STARKフレンドリー・ハッシュ設計で最も難しい部分の一つです。

パラメーターには、状態幅、レート、容量、ラウンド数、S-box指数、MDS行列、ラウンド定数、体の選択などが含まれます。

これらの選択は安全性と性能に影響します。

ラウンド数を増やすと安全性が向上する可能性がありますが、証明コストは増加します。

ラウンド数を減らすと速度は向上する可能性がありますが、安全性マージンを弱める可能性があります。

状態幅を広げると1回の置換でより多くのデータを吸収できますが、ラウンド当たりの操作数が増える可能性があります。

異なる体を選ぶと、どの指数が効率的または安全かが変わる可能性があります。

可能な限り、ラウンド定数は透明かつ再現可能な方法で生成する必要があります。

実装は公式または監査済みのパラメーターセットと完全に一致させる必要があります。

STARKフレンドリー・ハッシュの信頼性は、本番環境で使用するパラメーターと実装の信頼性に左右されます。

STARKフレンドリー・ハッシュとCairo

Cairoは、STARKベースの計算とStarknetスマートコントラクトに使用されるプログラミング言語です。

Cairoにおけるハッシュ関数は、コントラクトストレージ、トランザクションデータ、署名、証明効率に影響するため重要です。

公式Cairo Bookでは、STARK証明で作業する際にPedersenより低コストかつ高速であるため、現在はCairoプログラムにPoseidonが推奨されると説明されています。

この推奨は、STARKフレンドリーなハッシュ化の実用的な目的を反映しています。

開発者がPoseidonを選ぶのは、単に流行しているからではありません。

証明システムの算術により適合するためです。

ただしCairo開発者は、特定のプロトコルの文脈でPedersenまたはKeccakを必要とする場合があります。

例えば、レガシーストレージや外部のEthereum形式データとの互換性には、特定のハッシュが必要となる場合があります。

優れたCairo開発者は、どのハッシュがどの用途に対応するかを理解している必要があります。

最も効率的なハッシュであっても、誤った場所で使えばアプリケーションを壊す可能性があります。

STARKフレンドリー・ハッシュとトランザクションハッシュ

トランザクションハッシュはトランザクションを識別し、重要なトランザクションフィールドにコミットします。

Starknetでは、新しいトランザクションハッシュ形式で体要素に対するPoseidonを使用できます。

公式Starknetトランザクションリファレンスでは、v3トランザクションハッシュが、バージョン、送信者アドレス、ガス上限、チェーンID、nonce、calldataハッシュ、関連データなどのトランザクションフィールドにわたるPoseidonを使用することが示されています。

これはSTARKフレンドリー・ハッシュが中核プロトコルのワークフローで使用される例です。

トランザクションハッシュは決定論的でなければなりません。

すべてのノードとウォレットは、同じフィールドから同じハッシュを計算する必要があります。

ウォレットがあるハッシュに署名し、ネットワークが別のハッシュを検証した場合、トランザクションは失敗します。

つまり、ハッシュ仕様は正確でなければなりません。

開発者は独自の近道を作るのではなく、公式のトランザクションハッシュ計算式に従うべきです。

プロトコルレベルのハッシュ化は推測に頼るべき分野ではありません。

STARKフレンドリー・ハッシュとストレージキー

ストレージキーもハッシュ関数が重要となる領域です。

スマートコントラクトのストレージでは、変数、アドレス、インデックスをストレージの場所にマッピングするため、ハッシュ化されたキーがよく使用されます。

Starknetの歴史では、特定のストレージマッピング動作にPedersenが使用されてきました。

Cairo Bookでは、LegacyMapがStarknetのストレージマッピング用キーのハッシュにPedersenを使用すると説明されています。

新しいアプリケーションコードでは、サポートおよび推奨される場合にPoseidonが選ばれることがあります。

これは開発者にとって互換性の問題を生みます。

正しいデータを読み取るには、古いストレージレイアウトでは期待されるハッシュを引き続き使用する必要があります。

ストレージハッシュ関数を変更すると、値が保存される場所も変わる可能性があります。

不適切に扱うと、古い残高、承認、設定値にアクセスできなくなる可能性があります。

ストレージのハッシュ化は、アプリケーションの永続的なデータレイアウトの一部として扱う必要があります。

STARKフレンドリー・ハッシュとロールアップ

ロールアップは、バッチ、トランザクション、状態更新、メッセージ、証明にコミットするためハッシュを使用します。

STARKベースの有効性ロールアップは、ハッシュ負荷の高い計算をより低コストで証明できるため、STARKフレンドリー・ハッシュの恩恵を受ける可能性があります。

公式のStarkWare Starknetページでは、StarknetはオフチェーンでSTARK証明を生成し、それらの証明をオンチェーンに送信するLayer 2と説明されています。

このようなシステムでは、オフチェーンでの証明作業が運用コストの大部分を占めます。

内部ハッシュが非効率であれば、証明者はバッチごとにより多くの作業を行う必要があります。

内部ハッシュが効率的であれば、システムはより低い証明オーバーヘッドで多くのデータを処理できます。

ユーザーがハッシュ関数を直接目にしなくても、これはユーザー向けのスケーラビリティを向上させる可能性があります。

ロールアップユーザーは手数料や速度を考えることが多くあります。

その裏では、こうしたユーザー体験は一部、証明システムの効率に依存しています。

STARKフレンドリー・ハッシュは、高スループットの有効性ロールアップをより実用的にする構成要素の一つです。

STARKフレンドリー・ハッシュとアカウント抽象化

アカウント抽象化により、アカウントは固定的な署名モデルだけでなく、柔軟な検証ロジックを使用できます。

アカウントではトランザクションデータ、署名、セッションキー、ポリシールール、検証メッセージをハッシュする場合があるため、ハッシュ関数はアカウント抽象化に現れます。

STARKベースのチェーンでは、アカウント検証ロジックは実行の一部として証明されなければなりません。

アカウントコードが多数の高コストなハッシュ操作を実行すると、証明コストが増加する可能性があります。

プロトコルがサポートする場合、STARKフレンドリー・ハッシュによりアカウント検証をより効率化できます。

ただし、アカウント抽象化では外部の署名スキームやメッセージ形式との互換性も必要になる場合があります。

そのため開発者は、同じアカウントシステム内でSTARKフレンドリー・ハッシュと従来型ハッシュの両方を必要とする場合があります。

適切な設計は、ウォレット標準、署名検証、ブリッジ互換性、ユーザーの安全性に依存します。

効率的なハッシュ化は有用ですが、アカウントの安全性を最優先に維持しなければなりません。

署名のドメイン分離やトランザクション認可を弱めるのであれば、低コストなハッシュは有用ではありません。

STARKフレンドリー・ハッシュとブリッジ

ブリッジは、異なるチェーン間でメッセージ、状態ルート、ストレージ証明、ロールアップ出力を検証することがよくあります。

ブリッジの一方がSTARKフレンドリー・ハッシュを使用し、もう一方が従来型ハッシュを使用する場合、ハッシュの互換性が重要になります。

例えば、STARKベースのシステムは内部でPoseidonを使用する一方、別のチェーンはネイティブ証明にKeccakまたはSHA-256を期待する場合があります。

ブリッジでは両方の種類のハッシュを証明または検証する必要がある場合があります。

証明システムが互換性のために高コストな従来型ハッシュを含める必要があるため、コストが増加する可能性があります。

この問題を管理するため、アダプター、再帰的証明、別個のコミットメントレイヤーを使用するシステムもあります。

ブリッジ開発者はハッシュに関する仮定に細心の注意を払う必要があります。

体のエンコーディング、バイト順序、パディング、ドメイン分離の不一致は検証を壊す可能性があります。

STARKフレンドリー・ハッシュは内部効率を改善しますが、クロスチェーンシステムには外部プロトコルとの正確な互換性も必要です。

したがって、ハッシュ関数の選択は性能上の問題であると同時に、ブリッジのセキュリティ上の問題でもあります。

STARKフレンドリー・ハッシュとMerkle証明の検証

Merkle証明の検証は、STARKフレンドリー・ハッシュを使用する大きな理由の一つです。

Merkle証明は、リーフがコミットされたツリールートに含まれることを示します。

STARK内部で証明を検証するには、証明者はパスに沿った各ハッシュを計算する必要があります。

ツリーが深い場合、証明には多数の繰り返しハッシュが必要になる場合があります。

各ハッシュが高コストであれば、証明全体も高コストになります。

Poseidon形式のハッシュは、多くの体ベースの証明システムでこの負担を軽減できます。

これは、状態コミットメント、許可リスト、トークンスナップショット、プライバシーノート、ブリッジメッセージ、データ可用性コミットメントにMerkleツリーを使用するアプリケーションを支援します。

STARKフレンドリー・ハッシュで構築されたMerkleツリーは証明内部では効率的ですが、従来型ハッシュルートを期待するシステムとの互換性は低い場合があります。

開発者は、そのMerkleツリーが主に内部証明用か外部互換性用かを判断すべきです。

最適なハッシュは、証明をどこでどのように検証するかに依存します。

STARKフレンドリー・ハッシュとハードウェア

STARKフレンドリーであることは、通常のハードウェアで常に最速であることを意味しません。

SHA-256などの従来型ハッシュは、CPU、GPU、ASIC、最適化ライブラリ上で非常に高速に動作できます。

体ネイティブなハッシュは、通常のソフトウェアでは低速でも、証明システム内部ではより低コストとなる場合があります。

この違いはベンチマークで重要です。

開発者は、生のソフトウェア速度だけでハッシュ関数を比較すべきではありません。

証明者の処理時間、証明制約、メモリ使用量、検証コスト、監査の成熟度、互換性を比較すべきです。

プレーンなRust、C++、JavaScriptでは低速に見えるハッシュでも、STARK証明者にはより適している場合があります。

証明内で高速なハッシュが、証明外の汎用データ整合性用途に理想的とは限りません。

環境によって適した設計は異なります。

STARKフレンドリーとは、あらゆる設定で普遍的に最速という意味ではなく、まず証明フレンドリーであることを意味します。

STARKフレンドリー・ハッシュと量子耐性

STARKは、楕円曲線ペアリングではなく、主にハッシュ関数と情報理論的技術に依存するものとして議論されることが多くあります。

これにより、STARKシステムはペアリングフレンドリー曲線に依存する一部の証明システムとは異なるセキュリティプロファイルを持ちます。

ただし、量子耐性に関する広範な主張には注意が必要です。

STARKフレンドリー・ハッシュも、ハッシュ関数と選択されたセキュリティパラメーターの安全性に依存します。

量子アルゴリズムは、一部の攻撃の実効コストを変えることでセキュリティレベルに影響する可能性があります。

開発者は、望ましいセキュリティマージンを維持するため、より大きな出力サイズまたはより強力なパラメーターを必要とする場合があります。

STARKフレンドリーという表現は、あらゆる暗号上の脅威に対して将来も安全であることを自動的に意味するものではありません。

STARK形式の証明システムでハッシュが効率的であることを意味します。

古典的攻撃者と量子攻撃者に対する安全性は、引き続き別個に評価する必要があります。

強力な暗号エンジニアリングでは、マーケティング用語をセキュリティ保証に変えることを避けます。

STARKフレンドリー・ハッシュの利点

STARKフレンドリー・ハッシュの第1の利点は、証明コストの低減です。

代数的制約が少ないほど、証明者の作業負荷を削減できます。

第2の利点は、ハッシュ負荷の高いアプリケーションでの証明生成の高速化です。

これにより、ロールアップ、プライバシーツール、検証可能なアプリケーションのユーザー体験を改善できる場合があります。

第3の利点は、STARK内におけるMerkle証明検証の低コスト化です。

これは、状態ツリー、ヌリファイアツリー、許可リスト、コミットメントツリーで重要です。

第4の利点は、有限体算術との整合性向上です。

体ネイティブな操作は、多くのビット演算よりも算術化しやすくなります。

第5の利点は、バッチ処理のスケーラビリティです。

多数のハッシュをまとめて証明する場合、効率向上の効果は大きく積み上がる可能性があります。

STARKフレンドリー・ハッシュのリスクと制限

第1のリスクは、古い従来型ハッシュと比べた成熟度の低さです。

一部のSTARKフレンドリー・ハッシュは、SHA-256やKeccakほど数十年にわたる実社会での分析を受けていません。

第2のリスクは、パラメーターの誤用です。

ラウンド、定数、体の選択、エンコーディングを変更すると、安全性が弱まる可能性があります。

第3のリスクは、互換性の失敗です。

KeccakまたはSHA-256を期待するプロトコルは、検証ルールを変更せずにPoseidonを単純に受け入れることはできません。

第4のリスクは実装バグです。

体算術、シリアライゼーション、バイト順序、モジュラーリダクションの誤りは正確性を損なう可能性があります。

第5のリスクはドメイン分離の失敗です。

ラベルなしで異なる文脈に同じハッシュ入力を使用すると、危険な曖昧性を生む可能性があります。

第6のリスクは過度の一般化です。

ある証明システムで効率的なハッシュが、別のシステムで理想的とは限りません。

開発者は、STARKフレンドリー・ハッシュを、あらゆるハッシュ関数の代替品ではなく、専門的な暗号ツールとして扱うべきです。

STARKフレンドリー・ハッシュに関するよくある誤解

よくある誤解の一つは、STARKフレンドリー・ハッシュがSHA-256やKeccakより自動的に安全であるというものです。

STARKフレンドリーとはSTARK証明システムで効率的という意味であり、普遍的に強力という意味ではありません。

もう一つの誤解は、従来型ハッシュが時代遅れであるというものです。

従来型ハッシュは、多くのブロックチェーンプロトコル、署名、アドレス、互換性レイヤーにとって引き続き不可欠です。

3つ目の誤解は、Poseidon、Pedersen、Rescueが互換的に使えるというものです。

これらは異なる設計、パラメーター、性能プロファイル、エコシステム上の役割を持ちます。

4つ目の誤解は、ハッシュ関数だけでシステムがプライベートになるというものです。

プライバシーには、コミットメント、ヌリファイア、証明、ウォレット、データ処理を含むプロトコル全体の設計が必要です。

5つ目の誤解は、開発者が速度のためにハッシュパラメーターを自由に変更できるというものです。

暗号パラメーターは、専門家の分析と厳格なレビューを伴う場合にのみ変更すべきです。

STARKフレンドリー・ハッシュの評価方法

まず、そのハッシュが使用する特定の証明システム向けに設計されているか確認してください。

ハッシュがSTARKシステムと同じ有限体上で動作するかを確認してください。

ハッシュについて公開された暗号学的分析があるか確認してください。

パラメーターが標準化され、文書化され、広くレビューされているか確認してください。

実際のワークロードで、証明者コスト、メモリ使用量、証明制約を確認してください。

プログラミング環境に信頼できるライブラリがあるか確認してください。

対象チェーン、ウォレット、コントラクト言語、証明者スタックがすでにそのハッシュをサポートしているか確認してください。

既存のKeccak、SHA-256、Pedersenデータとの互換性が必要か確認してください。

ドメイン分離と入力エンコーディングの規則を慎重に確認してください。

単一の隔離されたテストでベンチマークが低いという理由だけでハッシュを選ばないでください。

開発者向けベストプラクティス

トランザクションハッシュ、ストレージキー、署名、アドレスを計算する場合は、公式プロトコルのハッシュ関数を使用してください。

互換性が許す場合、内部の証明ネイティブなコミットメントには推奨されるSTARKフレンドリー・ハッシュを使用してください。

Cairo、Starknet、または対象のSTARKフレームワークについて公式ドキュメントに従ってください。

暗号技術の専門知識と独立したレビューがない限り、カスタムハッシュパラメーターを設計しないでください。

異なるハッシュ文脈では明確なドメイン分離を使用してください。

体要素、バイト配列、リスト、ペアには曖昧さのないシリアライゼーションを使用してください。

既知のテストベクターに対してハッシュ出力をテストしてください。

バイトと体要素を変換するコードを監査してください。

ソフトウェアのハッシュ速度だけを測定するのではなく、現実的なワークロードで証明者コストをベンチマークしてください。

各ハッシュ関数を使用する理由と、依存する互換性の仮定を文書化してください。

ユーザー向けベストプラクティス

STARKフレンドリー・ハッシュは主に、ウォレット、ロールアップ、コントラクト、証明システムで使われるインフラツールであることを理解してください。

Poseidon、Pedersen、Rescue、または別のZKフレンドリー・ハッシュを使用しているだけで、プロジェクトが安全だと考えないでください。

アプリケーションに監査、公式ドキュメント、明確なセキュリティ上の仮定があるか確認してください。

チェーン間のハッシュ互換性は複雑になり得るため、ブリッジには注意してください。

対象ネットワークの公式ハッシュ規則に従う信頼できるウォレットソフトウェアを使用してください。

プロトコル仕様を理解していない限り、トランザクションハッシュを手動で再作成しないでください。

ハッシュ効率は、スマートコントラクトリスク、鍵のリスク、オラクルリスク、ブリッジリスクをなくすものではないことを覚えておいてください。

プライベートアプリケーションがユーザーデータを保護するには、ハッシュ関数以上のものが必要であることを理解してください。

推奨ハッシュ関数やトランザクション形式を変更するプロトコルアップグレードに注意してください。

ハッシュ関数の選択は、強力な実装とレビューを伴う場合にのみ、エンジニアリング品質の指標として扱ってください。

FAQ

STARKフレンドリー・ハッシュとは何ですか？

STARKフレンドリー・ハッシュとは、代数的制約として表現しやすい操作を使用することで、STARK証明システム内で効率的に動作するよう設計されたハッシュ関数です。

暗号資産でSTARKフレンドリー・ハッシュが使用される理由は？

ロールアップ、プライバシーシステム、Merkleツリー、コミットメントでは多くのハッシュが必要になることが多く、効率的なハッシュは証明コストを削減できるためです。

PoseidonはSTARKフレンドリー・ハッシュですか？

はい。Poseidonは多くの有限体証明システムで効率的な、広く使われているZKフレンドリー・ハッシュであり、多くのCairoプログラムに推奨されています。

PedersenはSTARKフレンドリー・ハッシュですか？

PedersenはStarknetやその他の暗号システムで使用されてきましたが、関連する文脈でより低コストかつ高速になり得るため、新しいSTARK証明ワークロードではPoseidonが選ばれることが多くあります。

SHA-256はSTARKフレンドリーですか？

SHA-256は安全で広く使用されていますが、そのビット演算は多くの代数的証明システムで証明コストが高くなる可能性があるため、通常はSTARKフレンドリーとは見なされません。

KeccakはSTARKフレンドリーですか？

Keccakはブロックチェーンシステムで広く使用されていますが、代数的算術化向けに設計されたハッシュと比べ、そのビットレベル設計は体ベースの証明システム内部で高コストになる場合があります。

STARKフレンドリーは、より安全という意味ですか？

いいえ。STARKフレンドリーとはSTARK証明で効率的という意味であり、安全性は暗号設計、パラメーター、実装、レビューに依存します。

STARKフレンドリー・ハッシュはどこで使用されますか？

Merkleツリー、コミットメント、ヌリファイア、トランザクションハッシュ、ストレージキー、ロールアップの状態更新、プライバシーシステム、証明ネイティブなアプリケーションロジックで使用されます。

開発者はすべてのハッシュをPoseidonに置き換えられますか？

いいえ。アドレス、ストレージレイアウト、署名、ブリッジ証明は特定のハッシュ関数に依存する場合があるため、開発者は各プロトコル文脈で求められるハッシュを使用する必要があります。

STARKフレンドリー・ハッシュを使用する主なリスクは何ですか？

主なリスクは、パラメーターの誤用、実装バグ、不十分なドメイン分離、互換性のために別のハッシュが必要な文脈での使用です。

結論

STARKフレンドリー・ハッシュとは、STARKベースのゼロ知識システム内で効率的に証明を生成できるよう最適化されたハッシュ関数です。

有限体、代数的制約、証明ネイティブな計算と適切に機能するよう設計されています。

この点で、SHA-256やKeccakのような優れた汎用ハッシュとは異なります。これらは多くのZK環境で証明コストが高くなる場合があります。

ロールアップ、プライバシープロトコル、Merkleツリー、コミットメント、ヌリファイア、ストレージキー、トランザクションハッシュでは膨大な量のハッシュ処理が必要になる可能性があるため、STARKフレンドリー・ハッシュは重要です。

Poseidonは最もよく知られた例の一つであり、公式Cairoドキュメントは、STARK証明の文脈でPedersenより低コストかつ高速であるため、多くのCairoプログラムに推奨しています。

Pedersenは、レガシーなStarknetの文脈やその他の暗号システムで引き続き重要です。

Rescueやその他の算術化指向ハッシュは、この分野が進化を続けていることを示しています。

STARKフレンドリー・ハッシュの主な利点は、ハッシュ負荷の高いワークロードにおける証明コストの削減です。

主なリスクは、証明効率が自動的に普遍的な安全性または普遍的な互換性を意味すると考えることです。

開発者は、公式仕様に従い、レビュー済みパラメーターを使用し、ドメイン分離を適用し、シリアライゼーションを慎重にテストし、各プロトコル文脈に適したハッシュを選ぶ必要があります。

ユーザーがこれらのハッシュを直接管理する必要はありませんが、ロールアップ、ウォレット、プライバシーアプリケーションが正しく使用することで恩恵を受けます。

暗号資産用語集の文脈では、STARKフレンドリー・ハッシュとは、代数的性能、暗号学的安全性、プロトコル互換性のすべてを均衡させる必要がある、STARKシステム向けに設計された証明効率の高いハッシュ関数を意味します。

重要なポイントは、STARKフレンドリー・ハッシュはゼロ知識ブロックチェーンシステムの高速化と低コスト化に役立つ一方、慎重な暗号学的規律と正確なプロトコル規則に従って実装する必要があることです。