Qu'est-ce qu'un schéma d'agrégation de signatures comme les signatures BLS ?

Comprendre les signatures BLS en cryptographie

1. Les signatures BLS (Boneh-Lynn-Shacham) sont un système cryptographique qui permet de combiner plusieurs signatures numériques en une seule signature compacte. C’est ce qu’on appelle l’agrégation de signatures et elle joue un rôle essentiel dans l’amélioration de l’efficacité des systèmes blockchain. Contrairement aux systèmes de signature traditionnels tels que ECDSA, BLS permet de fusionner les signatures de plusieurs participants sur différents messages sans perdre en authenticité.

2. Le fondement de BLS réside dans la cryptographie basée sur l'appariement, qui utilise des cartes bilinéaires sur des groupes de courbes elliptiques. Ces constructions mathématiques permettent la vérification de signatures agrégées en une seule opération, réduisant ainsi considérablement la charge de calcul. Cette propriété rend le BLS particulièrement attractif pour les mécanismes de consensus dans les réseaux décentralisés où de nombreux validateurs doivent signer des blocs.

3. L'un des principaux avantages de BLS est sa nature déterministe : les signatures générées à partir du même message et de la même clé privée produiront toujours le même résultat. Cela élimine les vulnérabilités associées à la génération de nombres aléatoires présentes dans d'autres systèmes. De plus, les signatures BLS sont courtes, généralement 32 octets, ce qui permet de minimiser le gonflement de la blockchain.

4. L'agrégation ne nécessite pas de coordination entre les signataires. Chaque participant signe indépendamment, et un tiers peut ultérieurement combiner ces signatures. Tant que les clés publiques correspondant à chaque signature sont connues, la vérification reste sécurisée et efficace. Cette fonctionnalité prend en charge l'évolutivité dans les protocoles impliquant des centaines ou des milliers de validateurs.

Applications du BLS dans les réseaux Blockchain

1. Dans les blockchains de preuve de participation comme Ethereum 2.0, les signatures BLS sont largement utilisées pour la signature du validateur. Avec des milliers de validateurs participant au consensus, le regroupement de leurs signatures individuelles en une seule signature compacte réduit à la fois les besoins en stockage et en bande passante sur l'ensemble du réseau.

2. BLS permet une finalisation plus rapide en rationalisant le traitement de l'attestation au niveau du protocole. Au lieu de vérifier des centaines de signatures distinctes par bloc, les nœuds vérifient une seule signature agrégée, ce qui réduit considérablement le temps de calcul et améliore le débit.

3. Les signatures de seuil construites à l'aide de BLS permettent à un sous-ensemble de participants de générer une signature de groupe valide. Ceci est utile pour les portefeuilles multi-signatures et les systèmes de gouvernance décentralisés où tous les membres n'ont pas besoin de signer, mais le résultat représente toujours une approbation collective.

4. Les chaînes latérales et les solutions de couche 2 exploitent l'agrégation BLS pour compresser les métadonnées des transactions. En regroupant les signatures des utilisateurs hors chaîne et en soumettant une seule preuve agrégée en chaîne, ces systèmes atteignent une densité de transactions plus élevée tout en maintenant les garanties de sécurité.

Sécurité et compromis de la mise en œuvre du BLS

1. Bien que BLS offre une forte sécurité sous l'hypothèse de dureté du problème informatique de Diffie-Hellman dans les courbes favorables à l'appariement, il s'appuie sur des courbes elliptiques spécialisées telles que BLS12-381. Ces courbes sont moins éprouvées que celles utilisées dans l'ECDSA, ce qui soulève des inquiétudes quant à la résilience à long terme contre la cryptanalyse.

2. Une exigence essentielle pour le déploiement sécurisé de BLS est l’utilisation de méthodes de hachage à courbe uniques et imprévisibles lors du mappage des messages vers des points de la courbe elliptique. De mauvaises implémentations peuvent conduire à une malléabilité des signatures ou même à des attaques de récupération de clé privée si la séparation des domaines n'est pas correctement appliquée.

3. Les attaques par clés malveillantes représentent une vulnérabilité potentielle lors de l'agrégation de clés publiques. Un attaquant pourrait créer une clé publique malveillante qui compromettrait l’équation de vérification globale. Des contre-mesures telles qu'une preuve de possession ou un enregistrement centralisé des clés sont souvent utilisées pour atténuer ce risque.

4. En termes de performances, les calculs d'appariement sont plus coûteux que les opérations standard sur courbe elliptique. Bien que la vérification d'une signature agrégée soit rapide par rapport à la vérification de nombreuses signatures individuelles, le coût de configuration initial des couplages nécessite des bibliothèques optimisées et une accélération matérielle pour des performances en temps réel.

Questions courantes sur les signatures BLS

Qu’est-ce qui différencie BLS de l’agrégation de signatures Schnorr ? BLS réalise une véritable agrégation où n'importe quel nombre de signatures devient une, tandis que Schnorr nécessite des agrégats de taille linéaire, à moins d'utiliser un calcul multipartite de style MuSig. BLS prend également en charge de manière native l'agrégation non interactive entre différents messages, alors que Schnorr suppose généralement l'accord des messages.

Les signatures BLS peuvent-elles être falsifiées si la fonction de couplage est compromise ? Oui. La sécurité du BLS dépend directement de l’insoluble des problèmes liés aux appariements bilinéaires. Si un algorithme efficace brise les hypothèses sous-jacentes, comme la résolution du problème du logarithme discret sur des courbes compatibles avec l'appariement, l'ensemble du système devient vulnérable à la falsification et à l'extraction de clés.

Comment les développeurs de portefeuilles implémentent-ils BLS en toute sécurité ? La mise en œuvre sécurisée implique l'utilisation de bibliothèques cryptographiques auditées comme Herumi ou Milagro, l'application d'une séparation stricte des domaines lors du hachage, la validation des clés publiques avant l'agrégation et la garantie d'une résistance des canaux secondaires dans les routines de signature. Les développeurs doivent éviter l’arithmétique de courbe personnalisée et s’appuyer sur des paramètres standardisés.