一文了解BLS聚合签名

基本概念：

BLS 聚合签名（BLS Aggregate Signature）是一种基于 BLS（Boneh-Lynn-Shacham）签名算法的高级密码学技术，具有签名聚合的能力。它在区块链、分布式系统和加密协议中广泛应用，特别是在需要高效验证多个签名场景下，如以太坊 2.0 的信标链、Symbiotic 这类再质押协议的验证机制等。以下是对 BLS 聚合签名的详细解释，包括其定义、工作原理、优势以及应用场景。

什么是 BLS 签名？

BLS 签名是由 Dan Boneh、Ben Lynn 和 Hovav Shacham 在 2001 年提出的一种基于椭圆曲线配对（pairing-based cryptography）的数字签名方案。它利用双线性配对（bilinear pairing）来实现签名生成和验证，具有以下特点：

短签名：BLS 签名的长度非常短，通常仅为单个椭圆曲线群元素（例如 G1 或 G2 群中的点）。
安全性：基于 Gap Diffie-Hellman 问题的计算困难性。
唯一性：对于同一消息和密钥对，签名是确定的（deterministic）。

BLS 签名的基本流程：

密钥生成：私钥是一个随机标量 scalar ，公钥是私钥与椭圆曲线生成点的乘法结果（在 G1 或 G2 群中）。
签名生成 ：对消息 m 使用私钥 sk 计算签名 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> σ = H ( m ) s k \sigma = H(m)^{sk} </math>σ=H(m)sk 其中 H 是将消息映射到椭圆曲线的哈希函数。
签名验证 ：通过双线性配对检查 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> e ( σ , g ) = e ( H ( m ) , p k ) e(\sigma, g) = e(H(m), pk) </math>e(σ,g)=e(H(m),pk) 其中 e 是配对函数，g 是生成点，pk 是公钥。

什么是 BLS 聚合签名？

BLS 聚合签名是 BLS 签名的一种扩展，允许将多个独立签名（由不同私钥对不同消息生成）聚合成一个单一的签名。这个聚合签名可以用对应的公钥集合一次性验证，极大地减少了存储和计算开销。

聚合过程：

假设有 n 个签名者，每个签名者 i 使用私钥 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> s k i sk_i </math>ski 对消息 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> m i m_i </math>mi 生成签名 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> σ i = H ( m i ) s k i \sigma_i = H(m_i)^{sk_i} </math>σi=H(mi)ski
聚合签名 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> σ \sigma </math>σ 是所有签名 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> σ i \sigma_i </math>σi 的"加法"结果 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> σ = σ 1 + σ 2 + ⋯ + σ n \sigma = \sigma_1 + \sigma_2 + \dots + \sigma_n </math>σ=σ1+σ2+⋯+σn 这里"加法"是椭圆曲线上的点加法。
验证时，使用所有签名者的公钥 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> p k 1 , p k 2 , ... , p k n pk_1, pk_2, \dots, pk_n </math>pk1,pk2,...,pkn和消息 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> m 1 , m 2 , ... , m n m_1, m_2, \dots, m_n </math>m1,m2,...,mn，检查配对等式： <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> e ( σ , g ) = e ( H ( m 1 ) , p k 1 ) ⋅ e ( H ( m 2 ) , p k 2 ) ⋅ ⋯ ⋅ e ( H ( m n ) , p k n ) e(\sigma, g) = e(H(m_1), pk_1) \cdot e(H(m_2), pk_2) \cdot \dots \cdot e(H(m_n), pk_n) </math>e(σ,g)=e(H(m1),pk1)⋅e(H(m2),pk2)⋅⋯⋅e(H(mn),pkn)

关键点：

聚合签名的大小与单个 BLS 签名相同，无论聚合了多少签名。
验证只需一次配对计算，而非逐个验证每个签名。

BLS 聚合签名的优势

签名大小压缩：

无论有多少签名者，聚合签名始终是一个固定大小的椭圆曲线点（通常 48 字节或 96 字节，取决于曲线选择，如 BLS12-381）。
对比传统签名（如 ECDSA），多个签名需要存储多个独立的签名数据，而 BLS 聚合签名显著减少了空间需求。

高效验证：

验证多个签名只需一次配对计算，而非逐个验证，降低了计算复杂度。
对于大规模分布式系统（如区块链网络中的验证者集合），这极大提高了性能。

去中心化友好：

多个参与方可以独立签名，然后由任何人聚合，无需中心化协调。
支持动态参与者，无需事先知道签名者数量。

安全性：

继承了 BLS 签名的强安全性，抗伪造和抗碰撞。
在某些条件下（如防止"rogue key attack"），需要额外的保护机制（如签名者证明其公钥知识）。

BLS 聚合签名的应用场景

区块链共识：

以太坊 2.0：信标链中的验证者使用 BLS 聚合签名来签署区块提议和证明（attestations），数百或数千个验证者的签名被聚合为一个，大幅减少链上数据量。
Tendermint/Cosmos：类似的聚合签名用于优化共识效率。

再质押协议（如 Symbiotic） ：

在 Symbiotic 这样的共享安全协议中，操作员（operators）可能需要证明其行为符合网络规则。BLS 聚合签名可以用来高效验证多个操作员的签名，确保网络的安全性和一致性。
例如，多个操作员对某一状态更新签名，聚合后提交给 Network Middleware 合约验证。

跨链桥和预言机：

跨链桥或预言机网络中的多个节点对数据达成一致时，使用 BLS 聚合签名来压缩证明大小并加速验证。

分布式密钥生成（DKG） ：

在分布式系统中，BLS 签名常与 DKG 结合，用于生成共享公钥和聚合签名，提升系统的容错性。

BLS 聚合签名的局限性

计算成本：

双线性配对计算比传统签名验证（如 ECDSA）更昂贵，尤其在硬件资源受限的设备上。
签名聚合本身需要额外的点加法运算。

Rogue Key Attack（恶意密钥攻击） ：

如果攻击者控制部分公钥，可能伪造签名。解决方法是要求签名者提供"公钥知识证明"（Proof of Possession）。

依赖特定椭圆曲线：

BLS 签名依赖支持配对的曲线（如 BLS12-381），这限制了其通用性。

总结

BLS 聚合签名是一种强大的密码学工具，通过将多个签名聚合成一个固定大小的签名，显著提高了效率和扩展性。它在区块链和分布式系统中有着广泛应用，尤其适用于需要验证大量签名者的场景。