ZK-ALU-在有限域上实现乘法和除法

有限域上大整数乘法(模乘)实现过程

HMulAssign
  1. 分两轮做模乘加

    • bi==0: a*bi + carry, c=a*bi

    • bi=1\~7: a * bi + c + carry, c=a*bi + c

  2. 利用模逆数做模约减

    • a*b mod N
  3. 取模

DMulAssign
  1. 按b的奇偶位进行

    1. 分两轮做模乘加

      • bi==0: a*bi + carry, c=a*bi

      • bi=1\~7: a * bi + c + carry, c=a*bi + c

    2. 利用模逆数做模约减

      • a*b mod N
  2. 合并奇偶位计算结果: 按顺序累加

  3. 取模

有限域上大整数除法(模逆元)实现过程

除法 实现过程:

  1. 除数求倒数后,再和被除数相乘
  2. 求倒数过程: 通过扩展欧几里得算法(BEA), 计算大整数的模逆元.(过程中使用右移操作代替除以2)

背景知识

  1. 二进制扩展欧几里得算法 (BEA)

    该函数采用的是 二进制扩展欧几里得算法 (Binary Extended Euclidean Algorithm, BEA)。BEA 算法是专门为模素数域中的逆元计算而优化的一种算法。它通过反复地将两个数同时除以 2,并进行减法操作,最终得到逆元。

  2. 模运算性质: 在模运算中,有些特殊的性质可以利用。例如,如果 a 和 b 都是偶数,那么 gcd(a, b) = 2 * gcd(a/2, b/2)。利用这个性质,我们可以通过同时将 a 和 b 除以 2 来加速算法的收敛。

  3. 辗转相减: 辗转相减是求最大公约数的一种方法,大数减小数,然后把差赋值给大数, 重复, 直到两数相等时,即为最大公约数。

  4. 蒙哥马利模约简 : 简化和加速后续的运算, 数字 x 被表示为 M o n t ( x ) = x ⋅ R ( mod M O D U L U S ) {Mont}(x) = x \cdot R \ (\text{mod} \ MODULUS) Mont(x)=x⋅R (mod MODULUS),其中 R = 2 n R = 2^{n} R=2n,且 n n n 通常被选为比 MODULUS 大的最小的 2 的幂。

    蒙哥马利模约简是一种高效的模运算方法,特别适用于大型整数的乘法和求逆操作。它通过将数字映射到一个所谓的"蒙哥马利域"(Montgomery domain)来避免直接的模除操作,从而提高计算效率。

算法原理

  • 扩展欧几里得算法: 函数的核心部分是扩展欧几里得算法。该算法用于求解不定方程 ax + by = gcd(a, b),其中 a 和 b 是整数,x 和 y 是待求的整数。在有限域中,gcd(a, b) 通常为 1,因此方程变为 ax + by = 1。求得的 x 或 y 即为 a 或 b 的模 b 或 a 的逆元。
  • 迭代求解: 函数通过不断迭代,逐步逼近逆元。在每次迭代中,将较大的数减去较小的数,并相应地调整系数。
  • 结果判断: 当 u 或 v 等于 1 时,迭代结束,此时 b 或 c 即为所求的逆元。
BEA 循环

只要 u 和 v 都不是 1,就一直循环:

处理偶数:

如果 u 是偶数,则 u 和 b 都除以 2。

如果 v 是偶数,则 v 和 c 都除以 2。

在除以 2 的过程中,如果 b 或 c 变为负数,则加上模数 P.MODULUS。

比较大小并相减:

如果 v 小于 u,则 u 减去 v,b 减去 c。

否则,v 减去 u,c 减去 b。

返回结果

循环结束后,如果 u 为 1,则 b 就是 self 的模逆元。否则,c 是逆元。


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