BLS のような署名集約スキームとは何ですか?また、どのように効率を向上させるのですか?

ブロックチェーンネットワークにおける BLS 署名集約について理解する

BLS (Boneh-Lynn-Shacham) 署名集約は、複数のデジタル署名を 1 つのコンパクトな署名に結合できるようにする暗号化手法です。このスキームはペアリングベースの暗号化を活用しており、従来の ECDSA または Schnorr 署名には見られない独自の数学的特性が可能になります。ブロックチェーン システム、特にスケーラビリティとパフォーマンスを目指すブロックチェーン システムでは、BLS はトランザクション署名のサイズと検証オーバーヘッドを削減することで重要な役割を果たします。

BLS がトランザクション効率を向上させる方法

1. さまざまな参加者からの複数の署名を 1 つに集約できるため、ブロックに保存されるデータが大幅に削減されます。これにより、ブロックチェーンの肥大化が軽減され、ノード間でのより高速な伝播が維持されます。
2. 集約される署名の数に関係なく、検証時間はほぼ一定のままです。ノードは何百もの個別の署名を検証するのではなく、集約された 1 つの署名だけを検証するため、スループットが向上します。
3. BLS シグネチャのコンパクトな性質により、ブロック送信中の帯域幅の使用量が削減され、接続が制限されている分散型ネットワークにとって特に有益です。
4. 署名関連のメタデータを最小限に抑えることで、ブロックプロデューサーはサイズ制限を増やすことなくブロックごとにより多くのトランザクションを含めることができ、全体的なネットワーク容量が向上します。
5. イーサリアム 2.0 のようなプルーフ オブ ステーク プロトコルでは、BLS によりバリデーターの証明書を効率的に集約できるため、数千のコンセンサス投票を単一の署名オンチェーンで表すことができます。

セキュリティと実装に関する考慮事項

1. BLS は、ペアリング操作用に特別に設計された BLS12-381 などの安全な楕円曲線に依存しています。サイドチャネル攻撃を回避し、量子脅威に対する長期的な耐性を確保するには、これらの曲線を慎重に実装する必要があります。
2. 偽造を防止するには「hash-to-curve」などの独自のメッセージ ハッシュ技術が必要であり、標準の署名スキームよりも統合が複雑になります。
3. 集約により効率は向上しますが、所有証明や係数を使用したキー集約などの対策が適用されていない場合、不適切なキー管理や不正な公開キー攻撃によりセキュリティが侵害される可能性があります。
4. ノードは集約前に部分署名を収集するように調整する必要があり、サービス妨害シナリオを防ぐために信頼できるピアツーピア通信層が必要です。
5. 署名者間の対話を必要とするマルチ署名スキームとは異なり、BLS は非対話型の集約をサポートしています。つまり、どの当事者も署名の作成後に結合できるため、分散環境での柔軟性が向上します。

レイヤ 2 およびスケーリング ソリューションへの影響

1. ロールアップと状態チャネルは、出金証明やバッチ化されたトランザクション署名を集約することで BLS の恩恵を受け、オンチェーンのコールデータのコストを大幅に削減します。
2. 楽観的なロールアップでは、複数の監視者によって署名された不正証拠を BLS を使用して圧縮でき、分散化を維持しながら紛争解決を加速します。
3. ZK-Rollups は同様の暗号化プリミティブを使用し、BLS を統合することで、クラスター全体で再帰的証明を検証する際のバリデーターの調整が強化されます。
4. 集約された同期委員会に依存するライト クライアントは、簡潔な BLS 署名のおかげで、最小限の計算負荷でチェーンの一貫性を検証できます。
5. クロスチェーン ブリッジは、BLS を利用してマルチパーティの署名イベントを安全に検証します。資産譲渡が承認される前に、しきい値のバリデーターがメッセージに署名する必要があるため、信頼の仮定が軽減されます。

よくある質問

BLS と Schnorr 署名の違いは何ですか? BLS は、楕円曲線上で双線形ペアリングを使用し、複数の署名が 1 つになる真の署名集約を可能にします。 Schnorr はマルチ署名をサポートしますが、署名中に調整が必要であり、署名後の任意の組み合わせは許可されません。

1 つの秘密キーが公開された場合、BLS 署名は偽造される可能性がありますか?はい。参加者の秘密キーが侵害された場合、攻撃者が参加者の署名を偽造する可能性があります。ただし、これによってシステム全体が破壊されるわけではなく、影響を受ける署名者の投稿が信頼できなくなるだけです。

BLS 署名を検証するときにパフォーマンスのトレードオフはありますか?検証には計算負荷の高いペアリング操作が含まれますが、これは ECDSA チェックよりも時間がかかります。ただし、一度に数百の署名を検証できるため、高スループット環境ではこのコストが相殺されます。

すべてのブロックチェーン プラットフォームは BLS をネイティブにサポートしていますか?いいえ。サポートは、基礎となる暗号ライブラリとコンセンサス設計に依存します。イーサリアムはビーコン チェーンに BLS を採用しましたが、Bitcoin と多くのオルトチェーンは依然としてネイティブ BLS 統合のない ECDSA に依存しています。