YOUChain(有链)公链 开源项目介绍——go-bls

本文介绍YOUChain 加密签名方面的思考和方案，go-bls 库已于 github 开源，项目地址：[https://github.com/youchainhq/go-bls]

YOUChain 签名方案的考虑

1 面临的问题

YOUChain所采用的共识机制，是基于VRF的一种新型PoS共识。对基于PoS的共识，基本上都存在一个对区块做签名投票的机制，所有这些投票信息，都需要存储及随区块广播。

考虑一个采用secp256k1签名方案的例子，这时单个签名的大小是 64 字节，如果有100个账户给一个区块投票，则仅签名数据就至少62.5KB。这个数据量必须得认真对待。

关于此问题，我们需要考虑，能否减少（压缩）一个区块的签名投票数据，以减轻存储及网络通信负担？

对多个签名进行压缩的技术，已知的包括阈值签名（Threshold signature, 也有翻译叫“门限签名”）方案和BLS签名方案。其中阈值签名方案需要有一个复杂的初始化过程，并且要求参与者集合稳定（若参与者集合发生变更，则必须重新进行一轮全局初始化），这对于YOUChain这种最终将完全去中心化的公链来说，是无法接受的。BLS签名方案也是实现签名聚合的一种主要技术，而这也是我们重点评估并考虑采用的技术。

2 BLS简介

BLS签名方案是由Boneh-Lynn-Shacham三人于2001年提出的一种椭圆曲线签名方案，具有一些良好的特性，最重要的就是“签名聚合”：多个签名可以聚合成单个签名，聚合后的签名长度就是单个签名的长度。基于这些特性，BLS签名方案在多签及签名聚合、m/n多签等方面都能提供很好的支持。

2.1 BLS的基本原理

BLS签名的核心，是椭圆双曲线配对（Elliptic curve pairings）函数，也称双线性映射（bilinear maps）函数。要了解BLS的基本原理，重点是理解配对函数的性质。首先，我们需要一下基本知识：

1.椭圆曲线密码学定义了两个运算：曲线上两个点的加法运算 +，以及一个整数与曲线上的一个点进行的标量称法运算 ，其具体定义当前不需深究，只需要记住这些运算的结果也是曲线上的点。
2.椭圆曲线有一个"生成点" G， G 做 n 次加法运算后可得到椭圆曲线上（除无穷点，也即零点 之外）的所有点，n称为椭圆曲线的阶。
3.定义一个无穷点O，算术上等价于0，即 P+O=P；
4.当 d 足够大时，知道椭圆曲线上的两个点 P,Q 其中 Q = dP，求d困难，这就是椭圆曲线上的离散对数问题。

定义配对函数e(P,Q)，如果函数满足以下性质，则e(P,Q)就是一个双线性映射函数（其中大写字母表示曲线上的点，小写字母除了e为函数标识外，均为标量）：

1.e(P, Q + R) = e(P, Q) * e(P, R)
2.e(P + S, Q) = e(P, Q) * e(S, Q)
3.e(aP,bQ) = e(P,Q)^ab

也就是，配对函数对曲线上的运算满足交换律、结合律、分配率以及上面第3条性质。

在配对函数的基础上，令私钥为一个私密的整数 k, 则公钥为 P=kG，对消息 m ,将其映射为曲线上的一个点，记为 H，则签名 S=kH 。

签名的验证过程，即验证 e(P,H)=e(G,S) 是否成立。

证明为：

e(P, H)= e(kG, H)= e(G, kH) = e(G, S)

对于签名的聚合，假设聚合签名 S=S1+S2+…+S100，其中每个子签名都是不同 秘钥对 对同一个消息的签名（分别对不同消息签名也是可以的，那样验证时需要知道每个公钥对应的消息）。

则对聚合签名的验证为 e(G,S)=e(P1,H)e(P2,H)…*e(P100,H) 。
根据签名配对函数的性质，上述等式不难证明。

2.2 pairing-friendly curves
前述的双线性映射函数，并不是在所有的椭圆双曲线上都能实现。对于能实现双线性映射的椭圆曲线，称为 pairing-friendly curves 。关于这些曲线，IETF在今年初（Jan 2019）开始提出标准草案，当前是第三版 version-02 版。跟踪地址：ietf: draft-yonezawa-pairing-friendly-curves。根据标准草案，能实现双线性配对的曲线主要有两类：

Barreto-Naehrig curve, 2005年提出，简称 BN curve。
Barreto-Lynn-Scott Curve，2002年提出，简称 BLS curve。（BLS签名和BLS曲线，作者不尽相同：L是同一个即Lynn，B分别是Boneh和Barreto，S分别是Shacham和Scott）
一些项目使用的曲线及其安全性见下表（其中，标 * 的表示不能完全达到标题所示的安全性。）：

目前比较多的BLS实现是基于Barreto-Naehrig curve的，即上表中 BN 开头的曲线。这些曲线的安全性目前打了些折扣。比如，BN256 （签名长度是256 bits），原来预期是能达到 128 bit的安全性，但是在2016年的时候，Kim 和 Barhulescu提出了一种新算法：the extended tower number field sieve (exTNFS)，大幅降低了解决FFDLP（有限域离散对数问题）的复杂度，使得 BN256 所提供的安全性从预计的128 bits降低到了大约 100 bits。见上表。参考 https://crypto.stackexchange.com/questions/22835/are-barreto-naehrig-curves-suitable-for-pairing-based-cryptography、https://moderncrypto.org/mail-archive/curves/2016/000740.html
BLS一族的曲线，其安全性可能跟实现细节有关，上表中标 * 的BLS12-381，其安全性大概是 117~120 bits。

2.3 BLS签名标准草案

2.3.1 简介
IETF于今年初（Feb 2019）开始提出BLS签名标准草案。该标准草案的其中一个作者就是Dan Boneh。

根据标准草案，BLS实现上有两种策略（不同的侧重点）：

最小化签名大小。签名放在G1中，公钥放在G2中，G1/E1的表达更紧凑。
最小化公钥大小。就是简单的换一下，将公钥放在G1中，将签名放在G2中。如果涉及大量的公钥传输，可以考虑这种策略。
相同的实现，将两条曲线对换一下，就成第二种策略了。

2.3.2 实现现状

标准草案介绍了BLS签名当前的实现现状（只介绍了基于 BLS12-381 的实现，因为BN256安全性不够）：

Algorand：https://github.com/algorand/bls_sigs_ref
Chia：规格说明，C++/Python实现源码。采用的是最小化公钥的策略，好像未包含成员检查（成员检查即检查公钥或签名是否在相应的有限群G1或G2内）。数据映射到曲线上（hashing to curve）使用的方案叫 Fouque-Tibouchi，可以在常量时间完成（这对于防止旁道攻击 side channel attacks 是非常必要的）。
Dfinity：go封装版，基于BN Curve, C++实现，实验室项目。C++实现是从herumi/bls fork的。好像未包含成员检查。（go封装版不支持G1、G2调换）。
Ethereum 2.0：只有规格说明没有实现。规格说明中提到这不是确定稿，会随着BLS标准的情况作出修改。并提到规格中的hash_to_G2函数是不安全的。
根据我们的比较研究，目前值得我们重点考虑的项目，一个是Algorand的项目，另一个是：https://github.com/phoreproject/bls 。

3 YOUChain 中的考虑
BLS签名方案，虽然有签名聚合的优点，但目前也还存在以下两个主要约束：

目前BLS的技术实现还不是很成熟，其安全性还没有得到严格验证；
目前双线性映射函数的性能较差，相比主流的一些椭圆曲线签名方案，其性能劣势非常显著（如相比 secp256k1 ，性能差距在两个数量级以上）。

综合考虑，YOUChain将重点考虑以下应用方案：

用户账户体系，采用成熟稳定、高性能的 secp256k1 签名方案；
在共识过程中，区块投票的签名，采用BLS签名方案，在区块形成共识后，将投票者的签名进行聚合。
通过上述方案，将能更好地实现账户安全以及投票的签名数据量之间的更好平衡。

4 参考&引文

BLS签名方案：https://www.iacr.org/archive/asiacrypt2001/22480516.pdf
Compact Multi-Signatures for Smaller Blockchains ：https://eprint.iacr.org/2018/483.pdf
https://medium.com/cryptoadvance/bls-signatures-better-than-schnorr-5a7fe30ea716
https://medium.com/@VitalikButerin/exploring-elliptic-curve-pairings-c73c1864e627
ietf: draft-yonezawa-pairing-friendly-curves：https://datatracker.ietf.org/doc/draft-yonezawa-pairing-friendly-curves/
IETF BLS标准草案： https://datatracker.ietf.org/doc/draft-irtf-cfrg-bls-signature/
https://crypto.stackexchange.com/questions/22835/are-barreto-naehrig-curves-suitable-for-pairing-based-cryptography
https://moderncrypto.org/mail-archive/curves/2016/000740.html
https://github.com/algorand/bls_sigs_ref
https://github.com/Chia-Network/bls-signatures/blob/master/SPEC.md
https://github.com/Chia-Network/bls-signatures
https://github.com/dfinity/go-dfinity-crypto
https://github.com/dfinity-lab/bls-tmp
https://github.com/ethereum/eth2.0-specs/blob/master/specs/bls_signature.md
https://github.com/phoreproject/bls