BLSの署名とその利点とは何ですか？

BLS（Boneh-Lynn-Shacham）の署名は、暗号的なペアリングを活用するデジタル署名スキームの一種です。発明者のダン・ボーン、ベン・リン、およびホヴァヴ・シャチャムにちなんで名付けられました。 BLSの署名は、独自の特性と利点により、暗号通貨とブロックチェーンスペースで特に評価されています。この記事では、BLS署名が何であるか、それらがどのように機能するか、および暗号通貨エコシステム内で提供する特定の利点を調査します。

BLSの署名とは何ですか？

BLS署名は、双線形のペアリングを使用する暗号化署名の一種であり、1つのグループから2つの要素を取り、別のグループの要素にマッピングする数学的操作です。このプロパティにより、BLS署名は、ECDSA（Elliptic Curve Digital Signature Algorithm）などの従来の署名スキームでは不可能な特定の効率と機能を達成できます。

BLS署名の背後にあるコアアイデアは、これらの双線形のペアリングを使用して、短くて検証可能な署名を作成することです。 BLS署名は通常、単一のグループ要素で構成されており、他の署名スキームよりもはるかに小さくなります。このコンパクトさは、特に帯域幅とストレージがプレミアムにある環境では、BLSシグネチャの重要な利点の1つです。

BLS署名のしくみ

BLS署名の仕組みを理解するには、双線形の組み合わせの概念を把握することが重要です。双線形ペアリングは関数E：G1 x G2→GTで、G1、G2、およびGTはグループであり、Eは特定の特性を満たします。 BLSシグネチャのコンテキストでは、これらのグループは通常、楕円曲線グループです。

BLS署名を生成および検証するプロセスには、次の手順が含まれます。

• キージェネレーション：署名者は、秘密キーSKと対応する公開キーPKを生成します。秘密鍵はグループG1のランダムな要素であり、公開キーはG2のジェネレーターポイントを使用して秘密鍵から派生しています。
• 署名：メッセージMに署名するために、署名者はメッセージをG1のポイントにハッシュし、このポイントに秘密鍵を掛けます。その結果、BLSの署名が得られます。
• 検証：署名を検証するために、検証者はG2の署名とジェネレーターポイントの双線形ペアリングを計算し、ハッシュされたメッセージと公開鍵の双線形ペアリングと比較します。 2つのペアリングが等しい場合、署名は有効です。

このプロセスは、双線形のペアリングの特性を活用して、署名が安全で効率的であることを確認します。

暗号通貨におけるBLS署名の利点

BLS署名は、暗号通貨とブロックチェーンスペースで特に魅力的なものになるいくつかの利点を提供します。

• 短い署名：前述のように、BLS署名は非常にコンパクトです。これは、すべてのバイトがカウントされるブロックチェーンシステムでは、トランザクションとブロックのサイズを削減し、ストレージ要件と帯域幅の要件を削減します。
• 集約：BLS署名の最も強力な機能の1つは、集約する能力です。複数のBLS署名を、単一の署名と同じくらい短い単一の署名に結合することができます。これは、複数の関係者がマルチシグネチャウォレットやクロスチェーントランザクションなどの単一のメッセージに署名する必要があるシナリオで特に役立ちます。
• 効率的な検証：BLS署名は、集計された場合でも効率的に検証できます。これは、検証者が最小限の計算オーバーヘッドで多数の署名をチェックできることを意味します。これは、ブロックチェーンネットワークのスケーリングに有益です。
• セキュリティ：BLS署名は、高レベルのセキュリティを提供する楕円曲線グループの離散対数問題の硬度に基づいています。さらに、双線形のペアリングを使用すると、セキュリティの余分な層が追加され、BLSの署名が他の署名スキームが脆弱である可能性のある特定の種類の攻撃に耐性になります。

暗号通貨におけるBLS署名のユースケース

BLSの署名は、暗号通貨エコシステム内でいくつかのアプリケーションを見つけました。

• Ethereum 2.0 ：EthereumのStormof-stake Consensusメカニズムへの移行（Ethereum 2.0）は、Validatorの証明にBLS署名を利用しています。 BLSシグネチャの集約機能により、複数の証明を効率的に検証することができます。これは、ネットワークのスケーラビリティにとって重要です。
• マルチ署名ウォレット：BLS署名は、複数の当事者がトランザクションに署名する必要があるマルチシグネチャウォレットに最適です。署名を集約する機能は、複数の署名があっても、トランザクションサイズが小さいままであることを意味します。
• クロスチェーントランザクション：さまざまなブロックチェーンネットワークでトランザクションを検証する必要があるシナリオでは、BLSシグネチャを使用して、複数のチェーンから署名を効率的に集約し、検証プロセスを簡素化できます。

暗号通貨プロジェクトにBLS署名を実装します

暗号通貨プロジェクトにBLS署名の実装を検討している開発者の場合、次の手順に従うことができます。

• ライブラリを選択します。BLS12-381ライブラリなどのBLS署名をサポートする暗号化ライブラリがいくつかあります。プロジェクトのプログラミング言語とよく維持され、互換性のあるライブラリを選択してください。
• キーの生成：ライブラリを使用して、プライベートキーとパブリックキーを生成します。キーが安全に保存され、管理されていることを確認してください。
• 署名メッセージ：署名関数を実装して、メッセージのBLS署名を生成します。これには、メッセージをハッシュし、秘密鍵で掛けることが含まれます。
• 署名の検証：検証関数を実装して、BLS署名の有効性を確認します。これには、双線形の組み合わせを計算して比較することが含まれます。
• 集約署名：ユースケースが必要な場合は、複数のBLS署名を単一の署名に結合するために集約関数を実装します。

課題と考慮事項

BLSの署名は多くの利点を提供しますが、留意すべきいくつかの課題と考慮事項もあります。

• 複雑さ：BLS署名の背後にある数学は複雑であり、それらを正しく実装するには、楕円曲線暗号化と双線形のペアリングを深く理解する必要があります。
• パフォーマンス：BLS署名はサイズと検証の点で効率的ですが、実際のパフォーマンスは、実装と使用されるハードウェアによって異なります。開発者は、最高のパフォーマンスを実現するためにコードを最適化する必要があります。
• セキュリティ：BLS署名は安全ですが、すべてのタイプの攻撃に対して免疫はありません。開発者は、最新の暗号化研究の最新情報を維持し、既知の脆弱性に対して実装が安全であることを確認する必要があります。

よくある質問

Q：BLS署名は、既存のブロックチェーンネットワークで使用できますか？

A：はい、BLS署名は既存のブロックチェーンネットワークに統合できますが、慎重な計画と実装が必要です。たとえば、Ethereum 2.0は、BLSの署名をバリデーターの証明に正常に統合しています。ただし、移行には、ネットワークのコンセンサスメカニズムと検証プロセスの更新が必要になる場合があります。

Q：BLS署名は、あらゆる種類の暗号通貨と互換性がありますか？

A：BLS署名は、ほとんどのタイプの暗号通貨と互換性がありますが、特定の実装は、暗号通貨の基礎となる暗号化インフラストラクチャによって異なる場合があります。たとえば、異なる楕円曲線グループを使用する暗号通貨では、BLS署名スキームの調整が必要になる場合があります。

Q：BLS署名は、ECDSAのような他の署名スキームとどのように比較されますか？

A：BLS署名は、より短い署名や複数の署名を集約する機能など、ECDSAよりもいくつかの利点を提供します。ただし、ECDSAはより広く使用され、理解されており、その実装はしばしばより単純です。 BLSとECDSAの選択は、集約の必要性や署名サイズの重要性など、プロジェクトの特定の要件に依存します。

Q：暗号通貨でBLS署名を使用する潜在的なリスクは何ですか？

A：BLS署名に関連する主なリスクには、実装の複雑さが含まれます。これは、正しく行われないとエラーにつながる可能性があり、基礎となる暗号化の仮定の潜在的な脆弱性が含まれます。開発者は、実装が安全であり、これらのリスクを軽減するために定期的に更新されることを確認する必要があります。