Cointime

扫码下载App
iOS & Android

一文解读 APK 证明的强大功能与轻客户端实践

项目方

共识机制(Consensus Mechanism)是区块链事务达成分布式共识的算法。区块链节点共识过程中,所有节点都需要对整个区块进行签名,并将区块数据、节点公钥、签名数据等数据存储在区块中。区块链主要使用数字签名来实现权限控制、识别交易发起者的合法身份,以防止恶意节点冒充。

而随着区块链技术的发展与广泛应用,签名相关存储数据也会不停增长。区别于传统的应用,理论上区块链上的数据只会不断地增加,海量签名带来了海量数据,给签名验证带来了巨大负担。验签时所需要使用的公钥究竟有多大?不同的签名算法数据也有所不同,一般而言 ECDSA/Schnorr/EdDSA 算法 256 bits、BLS 算法 384 bits,如果有上万公钥在验证时候被需要,那么所需的存储的数据量十分庞大。

由上可知,在算法层面大量验证信息需要被存储、被处理,那该如何解决区块链网络繁重的验证问题?近期,Web3 基金会的研究员 Syed Hosseini 介绍了完全简洁的 BLS 聚合签名 APK 证明的强大功能和验证示例。下面将为大家翻译整理 Syed Hosseini 报告中的关键内容,感兴趣的开发者可至文末查看所有参考文献的来源链接。

APK 证明技术所解决的问题

在传统的数字签名算法中,如果一个委员会有很多成员,验证者需要知道每个成员的公钥,并收集每个成员在签署过程中的签名信息,但是这样操作的验证成本非常高。

APK 验证是由 Web3 基金会研究人员设计和实现的一种协议。它允许验证者在不知道每个成员的个别公钥的情况下,验证由签署委员会的部分成员(如一组验证者集合)签署的事实。这项协议的关键之处在于,它利用了 SNARKs 技术,将验证所需的成本大大降低。下面将介绍其如何利用 SNARKs 技术和 BLS 聚合签名实现上述功能。

SNARKs 技术

首先让我们认识一下 SNARKs 技术,其是一种零知识证明的形式,具有以下关键特点:

  • 零知识:意味着除了特定陈述为真之外,不会透露有关证明者秘密输入的信息。
  • 简洁:意味着证明体积小,可以快速检查。这是一个至关重要的属性,因为它使系统高效且可扩展。
  • 非交互式:这意味着证明由从证明者发送到验证者的单个消息组成,不需要来回交互。这是通过称为 Fiat-Shamir 启发式的过程实现的,该过程将交互式证明转换为非交互式证明。
  • 知识论证:这是一个技术术语,本质上意味着计算上合理的证明,其中计算有界的验证者不能被计算无界的证明者说服错误陈述。

尽管 SNARKs 非常有潜力,但不可忽视的事,其在“可信设置”初始阶段会生成一些必须保密的参数。如果这些参数受到损害,整个系统的安全性就会受到损害。这导致了其他零知识证明系统的发展,如 zk-STARKs,它们不需要可信的设置,但该技术目前尚不成熟,未得到广泛应用。

而 APK 证明的 SNARKs 基于多项式协议和多项式承诺。其将在委员会成员的公共关键点坐标之间定义一组多项式关系。如果证明者能够说服验证者这些关系成立,那么验证者可以确定小组委员会的聚合公钥是正确的。即 APK 证明可以有效地验证多个成员的签名,而无需知道每个成员的具体公钥。

BLS 聚合签名

BLS 聚合签名是 Boneh–Lynn–Shacham 的简称,其最初由斯坦福大学教授 Dan Boneh 等人提出的一种签名方案。BLS 特点在于采用了基于双线性映射的椭圆曲线配对技术,以实现签名的验证与聚合,即 BLS 签名使用配对函数进行验证来节省区块空间。在运行 APK 证明时,并不需要验证 BLS 签名本身,只验证聚合公钥是否确实正确聚合,这只需要在 Einnₑr (BLS 公钥在曲线 Einnₑr 上定义)上添加功能,并且验证者在验证聚合公钥正确之前,永远不需要使用配对功能。

总之,APK 证明利用了一种承诺机制,只需要验证者拥有一个固定大小的已验证的公钥集合,就可以通过协议提供的简单的证明,来验证聚合签名的正确性。由此,其极大地简化了验证过程,并且减少了所需的信息交换量。这为构建安全可靠的去中心化应用和系统,提供了更加高效和可扩展的解决方案。

APK 证明的区块链轻客户端实践

目前,现有区块链上的计算和存储成本远高于现代手机浏览器中的成本。因此,受到手机等设备在计算能力方面存在的限制,很多区块链应用无法得到普及。目前轻客户端又依赖于全节点去执行大量操作,轻客户端需要发送多个请求来执行简单的操作,因此所需的总体网络带宽高于全节点的带宽。

此外,对于波卡生态而言,区块链互操作性的一个关键挑战是实现一个拥有高效且安全的链上轻客户端协议。现有的协议在验证方面要么缺乏责任制,要么效率低下。如 Cosmos 的采用跨链通信 IBC 协议,该协议的效率问题成为网桥中使用链上轻客户端验证器的障碍。而 APK 证明凭借高效的验证,为构建安全可靠的去中心化应用和系统,提供了更加高效和可扩展的解决方案。

责任制的轻客户端系统

Web3 基金会研究员定义设计并实现了第一个责任制的轻客户端系统(accountable light client system),其具有高效验证、安全等优势,且可作为核心模块集成到 SNARKs 友好的 PoS 区块链安全桥中。具体而言,该轻客户端系统将具有以下特点:

- 责任制:该轻客户端系统是负责任的。即如果轻客户端验证器被误导,并且其通信的记录被提供给网络,那么可以识别到大量行为不端的共识参与者。一方面,当向轻客户端验证器发送最少的数据时,在轻客户端系统上识别行为不端的共识参与者是具有挑战性的。另一方面,识别不当行为对于任何利益证明协议都是必要的,其安全依赖于识别和惩罚不当行为的共识参与者。

- 异步安全:即在共识的诚实假设下,该轻客户验证器不会被误导。即使它对网络的视野有限,如其只连接到一个节点,这可能是恶意的。这是其继承了区块链拜占庭协议的异步 (asynchronous) 安全特性,在异步的网路环境中,确定性质的协议无法容忍任何错误。

- 递增性:即它的简洁状态(Succinct State)是渐进更新的。有效的更新与桥接应用程序关系密切,而不是试图优化验证区块链起源的共识决策。

总之,责任制的轻客户端系统在使用 BLS 聚合签名和 SNARKs 技术的区块链之上轻松实现高效验证。作为 Polkadot 生态系统的一部分,目前开发人员正在将该轻客户端整合到 Polkadot 和 Kusama 中的 live Substrate bridge。

以下是利用此类证明设计的区块链轻客户端部分代码示例:

use std::cell::RefCell;use std::collections::HashSet;use ark_bls12_377::{G1Projective, G2Projective}use ark_bw6_761::BW6_761;use ark_ec::AffineRepr;use ark_serialize::CanonicalSerialize;use ark_std::{end_timer, start_timer};use ark_std::test_rng;use fflonk::pcs::kzg::params::{KzgCommitterKey, RawKzgVerifierKey};

示例全文请参阅:

https://github.com/w3f/apk-proofs/blob/main/bw6/examples/recursive.rs

轻客户端将为去中心应用程序的发展、促进加密网络的大范围采用提供关键推动力。如上文所述,APK 以技术创新实现强大的功能,进一步提高轻客户端协议的效率和可靠性,也期待该技术后续更多地应用到去中心化应用之中。OneBlock 将持续关注波卡与 Substrate 生态相关技术更新,希望能够为各位开发者提供一些启发。

参考文献

Fully Succinct BLS Signature Aggregation

https://github.com/w3f/apk-proofs

Accountable Light Client Systems for PoS Blockchains

https://eprint.iacr.org/2022/1205.pdf

Zero Knowledge Proofs, SNARKs, STARKs and Bulletproofs

https://medium.com/@alfonsocamblor/zero-knowledge-proofs-snarks-starks-and-bulletproofs-871bdbbafa99

Research Update: APK Proofs By Hand and Sage

https://medium.com/web3foundation/apk-proofs-by-hand-and-sage-3f5feb3fcca4

Accountable light clients From SNARKS

https://docs.google.com/presentation/d/16LlsXWY2Q6_6QGZxkg84evaJqWNk6szX/edit#slide=id.g19944a07c60_0_137

评论

所有评论

推荐阅读

  • EXOR集团 :拒绝Tether公司收购尤文图斯股份的提议

    EXOR集团 :拒绝Tether公司收购尤文图斯股份的提议,重申无意出售尤文图斯股份。 此前报道,加密货币巨头Tether公司对于收购尤文图斯俱乐部的计划非常认真,他们准备再次开出一份超过20亿欧元的新报价。

  • Tether 开出总估价超过 20 亿欧元的新报价收购尤文图斯

    加密货币巨头 Tether 公司对于收购尤文图斯俱乐部的计划非常认真,他们准备再次开出一份超过 20 亿欧元的新报价。昨天 Tether 已经向 Exor 董事会提交了一份报价,意图收购阿涅利家族控股公司所持有的尤文图斯 65.4% 股份,这一消息由首席执行官保罗-阿尔多伊诺通过社交媒体公布,但这仅仅是谈判的开始。

  • American Bitcoin比特币储备过去7天增加约623枚,现仓位达4941枚BTC

    此前曾披露分析“1011内幕巨鲸”的链上分析师Emmett Gallic在X平台发文披露特朗普家族支持的加密矿企American Bitcoin比特币储备更新数据,过去七天增加约623枚BTC,其中约80枚来自于挖矿收入,542枚来自于公开市场的战略收购,截至目前其比特币总持有量增至4941枚,当前市值约合4.5亿美元。

  • 美国现货以太坊ETF昨日净流出1940万美元

    据TraderT监测,美国现货以太坊ETF昨日净流出1940万美元

  • 华夏基金香港在Solana上推出亚洲最大代币化货币市场基金

    12月12日消息,华夏基金香港(ChinaAMC HK)产品与策略负责人 Katie He 在 Solana Breakpoint 大会上表示,将推出亚洲首个且规模最大的代币化货币市场基金,涵盖港币(HKD)、美元(USD)和人民币(RMB)计价,将传统货币市场工具代币化,为投资者提供安全、链上访问稳定收益的机会,具有完全透明度和实时结算。经过数月与监管机构及 OSL 等伙伴的合作,这一创新将自香港扩展至更广阔地区,并原生部署到 Solana 区块链上。

  • 加拿大皇家银行已购入77,700股American Bitcoin股票

    据市场消息:价值1万亿美元的加拿大皇家银行已购入77,700股American Bitcoin ($ABTC)股票,价值约15万美元。该比特币矿企由特朗普家族成员Eric Trump支持。

  • 中国人民银行:继续实施适度宽松的货币政策,推进人民币国际化

    中国人民银行党委召开会议,会议纪要第三点指出:继续实施适度宽松的货币政策,加快推进金融供给侧结构性改革。把促进经济稳定增长、物价合理回升作为货币政策的重要考量,灵活高效运用降准降息等多种货币政策工具,把握好政策实施的力度、节奏和时机,保持流动性充裕,促进社会综合融资成本低位运行,加强对实体经济的金融支持。畅通货币政策传导机制,优化结构性货币政策工具运用,加强与财政政策的协同,激励和引导金融机构加力支持扩大内需、科技创新、中小微企业等重点领域。保持人民币汇率在合理均衡水平上的基本稳定。会议纪要第五点指出:稳步推进金融高水平开放,维护中国国家金融安全。践行全球治理倡议,积极参与和推进全球金融治理改革完善。务实开展金融外交和多双边货币金融合作。推进人民币国际化。持续建设和发展多渠道、广覆盖的人民币跨境支付体系。稳步发展数字人民币。

  • 日本央行据悉将进行更多加息 部分官员认为中性利率高于1%

    据知情人士透露,日本央行官员认为,在本轮加息周期结束前,利率很可能升至0.75%之上,这表明在下周加息之后,可能还会有更多次加息。这些人士称,官员认为,即使加息至0.75%,日本央行仍未达到中性利率水平。部分官员已认为1%仍低于中性利率水平。知情人士表示,即便日本央行根据最新数据更新中性利率估算,目前也并不认为该区间会显著收窄。目前日本央行对名义中性利率区间的估计约为1%至2.5%。知情人士称,日本央行官员认为该区间上下限本身也可能存在误差。(金十)

  • Nexus 启动“节点之光·先锋理财周”,打造节点用户专属通道

    Nexus 12月12日宣布即将启动为期五天的 “节点之光·先锋理财周”,以“节点身份金融特权” 为核心理念,为生态核心参与者开启一段独立于全平台的专属理财周期。此次活动仅限节点用户参与专属理财包认购,并为随后上线的全平台理财与 NexSwap 注入市场期待。

  • Web3数据和AI公司Validation Cloud完成1000万美元新一轮融资

    Web3数据和AI公司Validation Cloud宣布从True Global Ventures获得1000万美元融资,该公司计划利用这笔资金扩展其AI产品,实现对Web3数据的无缝访问。 据介绍,该公司的产品平台由三个部分组成:质押、节点API以及数据和AI。在质押方面,Validation Cloud的质押资产已超过10亿美元。Validation Cloud的一些客户包括 Chainlink、Aptos、Consensys、Stellar和Hedera。