In this paper we propose the (keyed) permutation Arion and the hash function ArionHash over $\mathbb{F}_p$ for odd and particularly large primes. The design of Arion is based on the newly introduced Generalized Triangular Dynamical System (GTDS), which provides a new algebraic framework for constructing (keyed) permutation using polynomials over a finite field. At round level Arion is the first design which is instantiated using the new GTDS. We provide extensive security analysis of our construction including algebraic cryptanalysis (e.g. interpolation and Groebner basis attacks) that are particularly decisive in assessing the security of permutations and hash functions over $\mathbb{F}_p$. From a application perspective, ArionHash is aimed for efficient implementation in zkSNARK protocols and Zero-Knowledge proof systems. For this purpose, we exploit that CCZ-equivalence of graphs can lead to a more efficient implementation of Arithmetization-Oriented primitives. We compare the efficiency of ArionHash in R1CS and Plonk settings with other hash functions such as Poseidon, Anemoi and Griffin. For demonstrating the practical efficiency of ArionHash we implemented it with the zkSNARK libraries libsnark and Dusk Network Plonk. Our result shows that ArionHash is significantly faster than Poseidon - a hash function designed for zero-knowledge proof systems. We also found that an aggressive version of ArionHash is considerably faster than Anemoi and Griffin in a practical zkSNARK setting.


翻译:本文提出了基于有限域$\mathbb{F}_p$的排列函数Arion和哈希函数ArionHash。Arion的设计基于新提出的广义三角形动力系统(GTDS),该系统提供了一种新的代数框架,用于使用有限域上的多项式构造带密钥的排列。在回合级别上,Arion是使用新GTDS实例化的第一个设计。我们对我们的构造进行了广泛的安全分析,包括代数密码分析(例如插值和Groebner基攻击),这对于评估在$\mathbb{F}_p$上的排列和哈希函数的安全性尤为关键。从应用角度来看,ArionHash旨在在zkSNARK协议和零知识证明系统中实现高效。为此,我们利用图的CCZ等价性,可以实现算术导向基元的更高效实现。我们将ArionHash在R1CS和Plonk设置中的效率与其他哈希函数(如Poseidon、Anemoi和Griffin)进行了比较。为了证明ArionHash的实际效率,我们使用zkSNARK库libsnark和Dusk Network Plonk对其进行了实现。结果显示,ArionHash的速度比为零知识证明系统设计的哈希函数Poseidon要快得多。我们还发现,ArionHash的一个激进版本在实际的zkSNARK设置中比Anemoi和Griffin要快得多。

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