Assinatura BLS

O que é uma assinatura BLS?

Uma assinatura BLS é um esquema de assinatura digital usado em sistemas de criptomoedas para provar que uma mensagem foi aprovada pelo titular de uma chave privada.

O nome BLS vem de Boneh, Lynn e Shacham, os pesquisadores que apresentaram o esquema de assinatura curta no artigo Short Signatures from the Weil Pairing.

No universo cripto, uma assinatura BLS é especialmente valorizada porque várias assinaturas individuais podem ser combinadas em uma única assinatura agregada e compacta.

Esse recurso de agregação ajuda as blockchains a reduzir o uso de armazenamento e a necessidade de largura de banda, além de permitir a verificação mais eficiente das aprovações de vários validadores.

Uma assinatura digital comum prova que uma chave privada assinou uma mensagem. Já uma assinatura BLS agregada pode provar que várias chaves privadas assinaram mensagens sem armazenar cada assinatura separadamente.

Isso torna as assinaturas BLS úteis para consenso Proof of Stake, comitês de validadores, assinaturas de limiar, carteiras multisig, comunicação cross-chain e outros sistemas em que várias partes precisam aprovar o mesmo evento.

O rascunho do CFRG sobre assinaturas BLS descreve a BLS como um esquema de assinatura digital determinístico, não maleável e eficiente, com propriedades de agregação.

Para usuários de criptomoedas, a explicação mais simples é que uma assinatura BLS ajuda uma blockchain a comprovar várias aprovações usando menos dados.

Por que as assinaturas BLS são importantes para as criptomoedas

As blockchains muitas vezes precisam verificar um grande número de assinaturas em pouco tempo.

Os validadores assinam blocos, atestações, checkpoints, votos, mensagens de bridge, relatórios de oráculos e ações de governança.

Se cada assinatura precisar ser armazenada e verificada separadamente, a rede poderá exigir mais espaço em disco, largura de banda e poder de processamento.

As assinaturas BLS ajudam a resolver esse problema ao permitir que várias assinaturas sejam compactadas em uma só.

Isso é especialmente útil quando muitos validadores assinam a mesma mensagem, como a confirmação de um bloco ou um voto de finalidade.

Em vez de enviar centenas ou milhares de assinaturas pela rede, os participantes podem enviar uma assinatura agregada e as chaves públicas relacionadas ou a lista de participantes.

O resultado pode ser uma arquitetura mais organizada e escalável para sistemas blockchain com muitos validadores.

Isso não torna a blockchain automaticamente mais rápida em todas as situações, mas oferece aos designers de protocolos uma ferramenta criptográfica poderosa para reduzir a sobrecarga de assinaturas.

Como funciona uma assinatura BLS

Uma assinatura BLS começa com uma chave privada, uma chave pública e uma mensagem.

A chave privada é um número secreto que nunca deve ser compartilhado.

A chave pública é derivada da chave privada e pode ser compartilhada com a rede.

Quando um validador ou uma carteira assina uma mensagem, primeiro ela é mapeada para um ponto em uma curva elíptica.

Esse mapeamento deve ser feito com cuidado, pois uma função de hash insegura pode enfraquecer a segurança do esquema de assinatura.

A especificação hash-to-curve da RFC 9380 explica métodos para aplicar hash com segurança a sequências arbitrárias de bytes e convertê-las em pontos de curvas elípticas.

Depois que a mensagem é mapeada para um ponto da curva, o signatário usa a chave privada para criar um ponto de assinatura.

Em seguida, um verificador confere a assinatura usando a chave pública, a mensagem e uma operação matemática chamada emparelhamento bilinear.

O emparelhamento é o que diferencia as assinaturas BLS de muitos outros esquemas de assinatura.

Ele permite que o verificador confirme que a chave privada foi usada corretamente sem revelar a própria chave.

O que é agregação de assinaturas?

Agregação de assinaturas é a capacidade de combinar várias assinaturas válidas em uma única assinatura.

Na BLS, a agregação é possível porque as assinaturas são pontos de curvas elípticas que podem ser somados.

Se dez validadores assinarem a mesma mensagem, as dez assinaturas BLS poderão ser combinadas em uma assinatura agregada.

Se mil validadores assinarem um checkpoint, suas assinaturas também poderão ser combinadas em uma assinatura agregada.

Então, o verificador poderá conferir a assinatura agregada usando as chaves públicas dos validadores participantes.

Isso é valioso porque a prova final pode ser muito menor do que o conjunto original de assinaturas.

Para as blockchains, provas menores podem significar blocos mais leves, propagação mais rápida e menos pressão sobre a rede.

Para os usuários, isso pode melhorar a infraestrutura de base que ajuda a manter a rede responsiva e escalável.

Para os desenvolvedores, a agregação BLS facilita a criação de protocolos em que vários participantes independentes precisam assinar os mesmos dados.

Assinaturas BLS e validadores Proof of Stake

As assinaturas BLS são amplamente discutidas no design de blockchains Proof of Stake porque os validadores precisam provar regularmente que concordam com eventos específicos da rede.

Um validador pode precisar assinar uma proposta de bloco, uma atestação ou um voto de finalidade.

Quando muitos validadores assinam, a rede precisa de uma maneira confiável de contabilizar essas aprovações sem carregar dados desnecessários indefinidamente.

A agregação BLS é útil porque pode representar várias aprovações de validadores em um único objeto criptográfico compacto.

As especificações de consenso da Ethereum são um exemplo conhecido de design Proof of Stake que usa lógica de assinatura relacionada à BLS em sua camada de consenso.

Isso é importante para a educação sobre criptomoedas porque mostra que as assinaturas BLS não são apenas uma ideia teórica de criptografia.

Elas são usadas em sistemas blockchain reais para viabilizar a coordenação de validadores em larga escala.

Sem a agregação, sistemas com muitos validadores podem precisar de mais largura de banda e armazenamento para registrar o mesmo nível de responsabilidade criptográfica.

BLS12-381 e assinaturas BLS

As assinaturas BLS costumam ser usadas com uma curva elíptica compatível com emparelhamentos chamada BLS12-381.

Isso pode gerar confusão porque BLS aparece tanto no nome do esquema de assinatura quanto no nome da família de curvas.

Em assinatura BLS, BLS se refere a Boneh, Lynn e Shacham.

Em BLS12-381, BLS se refere a uma família de curvas compatíveis com emparelhamentos, nomeada em homenagem a Barreto, Lynn e Scott.

Na prática, os dois termos estão relacionados porque as assinaturas BLS precisam de curvas compatíveis com emparelhamentos, e a BLS12-381 é uma escolha comum em sistemas cripto modernos.

Uma curva compatível com emparelhamentos permite realizar a operação de emparelhamento bilinear da qual depende a verificação BLS.

A BLS12-381 é popular porque oferece um equilíbrio entre desempenho prático e segurança robusta para muitas aplicações blockchain.

No entanto, os desenvolvedores nunca devem presumir que todos os sistemas que usam BLS12-381 sejam automaticamente compatíveis com qualquer outra implementação BLS.

A compatibilidade também depende de conjuntos de cifras, regras de serialização, métodos hash-to-curve, separação de domínio, verificações de subgrupo e do uso ou não de prova de posse pelo protocolo.

Principais componentes de um esquema de assinatura BLS

Um esquema de assinatura BLS inclui geração de chaves, assinatura, verificação e agregação.

A geração de chaves cria o par de chave privada e chave pública.

A assinatura usa a chave privada para assinar uma mensagem específica.

A verificação confere se uma assinatura é válida para determinada mensagem e chave pública.

A agregação combina várias assinaturas em uma só.

A verificação agregada confere se a assinatura combinada é válida para as mensagens e chaves públicas relacionadas.

Muitas implementações reais também incluem validação de chaves públicas, verificações de subgrupo, identificadores de conjuntos de cifras, tags de separação de domínio e proteção contra ataques de chave maliciosa.

Esses detalhes podem parecer técnicos, mas são essenciais para uma infraestrutura de criptomoedas segura.

Um pequeno erro de implementação pode transformar um esquema de assinatura robusto em um sistema vulnerável.

Esquemas BLS Basic, Augmented e Proof-of-Possession

O rascunho do CFRG sobre BLS descreve diferentes variantes do esquema para atender a requisitos distintos de segurança e desempenho.

O esquema Basic é simples, mas exige cuidado quando há várias chaves públicas envolvidas.

O esquema Augmented inclui a chave pública na entrada da mensagem assinada, o que ajuda a proteger contra alguns problemas relacionados à agregação.

O esquema Proof-of-Possession exige que o signatário prove que realmente controla a chave privada correspondente a uma chave pública antes que essa chave pública seja aceita para agregação.

A prova de posse é importante porque a agregação BLS pode ser vulnerável a um ataque de chave maliciosa se as chaves públicas forem aceitas sem as verificações adequadas.

Em um ataque de chave maliciosa, um participante mal-intencionado pode escolher uma chave pública que anule ou manipule matematicamente a chave de outro participante.

Sistemas seguros evitam isso validando as chaves e exigindo provas de que os usuários conhecem as chaves privadas correspondentes.

Para os validadores de blockchain, isso é especialmente importante, pois as identidades e o poder de voto dos validadores não podem ser falsificados por meio de uma manipulação inteligente de chaves públicas.

O que é um ataque de chave maliciosa?

Um ataque de chave maliciosa é uma ameaça que pode surgir em sistemas multisig ou de assinatura agregada.

O atacante não necessariamente quebra a criptografia de forma direta.

Em vez disso, registra uma chave pública maliciosa relacionada à chave pública de outra pessoa.

Se o protocolo não exigir prova de posse da chave privada, o atacante poderá fazer uma assinatura agregada parecer válida de maneira desonesta.

Por isso, a validação de chaves públicas e a prova de posse são fundamentais em muitos sistemas de criptomoedas baseados em BLS.

Um design BLS robusto não verifica apenas a assinatura final.

Ele também confere se cada chave pública é válida, pertence ao participante declarado e segue as regras corretas de subgrupo e codificação.

Para os usuários, a principal lição é simples: a BLS é poderosa, mas precisa ser implementada com as regras de segurança adequadas.

Assinaturas BLS versus assinaturas digitais tradicionais

Assinaturas digitais tradicionais, como ECDSA e assinaturas no estilo Schnorr, podem provar a posse de uma chave privada e autorizar transações.

As assinaturas BLS fazem o mesmo trabalho básico, mas acrescentam propriedades de agregação muito úteis.

Uma assinatura BLS pode ser mais lenta de verificar individualmente do que alguns esquemas de assinatura mais simples, pois as operações de emparelhamento exigem bastante processamento.

No entanto, a BLS pode se tornar atraente quando várias assinaturas precisam ser combinadas e verificadas em conjunto.

Isso cria um equilíbrio entre o custo de verificação individual e a eficiência da verificação agregada.

Para um único pagamento simples, a BLS nem sempre é a escolha mais óbvia.

Para um comitê de validadores ou um sistema de assinatura de limiar, a BLS pode ser muito útil porque várias assinaturas podem ser representadas de forma compacta.

Os protocolos cripto escolhem esquemas de assinatura com base em seus objetivos de design, e não porque um esquema seja o melhor para todos os casos de uso.

Assinaturas BLS em sistemas multisig

Um sistema multisig exige a aprovação de mais de um signatário para autorizar uma ação.

Por exemplo, uma carteira de tesouraria pode exigir que vários integrantes da equipe aprovem uma transferência.

As assinaturas BLS podem viabilizar designs multisig porque assinaturas de diferentes chaves privadas podem ser combinadas.

Isso pode tornar a assinatura final menor e mais fácil de verificar do que armazenar cada aprovação separadamente.

Em alguns designs, uma assinatura multisig BLS pode parecer uma única assinatura on-chain, embora várias pessoas tenham aprovado a operação.

Isso pode melhorar a privacidade, reduzir o volume de dados e facilitar a gestão de políticas de autorização complexas.

No entanto, o sistema ainda precisa de registro seguro de chaves, prova de posse, regras claras de assinatura e proteção contra ataques de repetição.

Uma assinatura compacta só é útil quando o design da carteira ou do protocolo ao redor dela é seguro.

Assinaturas BLS em criptografia de limiar

A criptografia de limiar permite que um grupo controle conjuntamente uma chave de assinatura.

Uma regra de limiar pode exigir três de cinco membros, dez de quinze validadores ou outro número mínimo de participantes para criar uma assinatura válida.

A BLS funciona bem com alguns designs de assinatura de limiar porque assinaturas parciais podem ser combinadas em uma assinatura final.

Isso pode ajudar sistemas descentralizados a não dependerem de uma única chave privada controlada por uma pessoa ou servidor.

Na custódia cripto, a assinatura de limiar pode reduzir pontos únicos de falha.

Na infraestrutura blockchain, ela pode viabilizar bridges, grupos de validadores, redes de oráculos e sistemas de governança distribuída.

O principal benefício é que nenhum signatário precisa deter sozinho todo o poder de assinatura.

O principal risco é que sistemas de limiar são complexos e precisam ser projetados, auditados e operados com cuidado.

Assinaturas BLS e bridges blockchain

As bridges blockchain muitas vezes precisam que vários participantes independentes confirmem que um evento ocorreu em uma rede antes que uma ação relacionada aconteça em outra.

A agregação BLS pode ajudar os operadores de bridges a compactar várias aprovações em uma única prova.

Isso pode reduzir a quantidade de dados que precisa ser enviada on-chain.

Um volume menor de dados pode reduzir custos e melhorar a usabilidade, especialmente quando a rede de destino cobra taxas com base no processamento ou no armazenamento.

No entanto, uma assinatura BLS não torna uma bridge segura por si só.

A bridge ainda depende da seleção de validadores, da gestão de chaves, dos controles contra fraude, do monitoramento, das regras de atualização e da segurança econômica do grupo de signatários.

A BLS é uma ferramenta criptográfica, não um modelo de confiança completo.

Os usuários devem sempre avaliar o design completo da bridge, em vez de se concentrarem apenas no tipo de assinatura.

Assinaturas BLS e carteiras de criptomoedas

A maioria das carteiras de criptomoedas usadas no dia a dia não exige que os usuários entendam diretamente as assinaturas BLS.

Em geral, os usuários veem uma tela simples de aprovação, um hash de transação ou uma página de status do validador.

Nos bastidores, a BLS pode ser usada por validadores, sistemas de custódia, infraestrutura de staking ou ferramentas multisig.

Uma carteira que usa assinatura baseada em BLS deve proteger a chave privada com o mesmo rigor aplicado a qualquer outra chave privada de criptomoeda.

Se a chave privada for roubada, um atacante poderá assinar mensagens ou participar de ações do protocolo.

Se a chave privada for perdida, o signatário poderá perder o acesso aos direitos de assinatura ou ao controle do validador.

Como a BLS costuma ser usada em sistemas de validadores, uma gestão inadequada de chaves pode resultar em recompensas não recebidas, penalidades ou falhas operacionais.

Uma boa segurança de carteira ainda depende de backups robustos, dispositivos seguros, proteção contra phishing e análise cuidadosa das transações.

Benefícios das assinaturas BLS

O maior benefício das assinaturas BLS é a agregação.

A agregação pode reduzir os dados necessários para representar várias aprovações.

Isso ajuda as redes blockchain a lidar com grandes conjuntos de validadores de forma mais eficiente.

As assinaturas BLS também são determinísticas, ou seja, a mesma chave e a mesma mensagem produzem um processo de assinatura previsível, sem depender de um novo valor aleatório durante a assinatura.

Isso pode reduzir certos riscos que surgem quando a falta de aleatoriedade adequada compromete outros esquemas de assinatura.

Em alto nível, as assinaturas BLS também são relativamente simples, pois a assinatura e a verificação seguem relações matemáticas claras.

Elas são úteis em sistemas multisig e de limiar porque várias contribuições de assinatura podem ser combinadas.

Para a infraestrutura cripto, esses benefícios podem contribuir para escalabilidade, coordenação de validadores, provas compactas e um design de protocolo mais organizado.

Limitações e riscos das assinaturas BLS

As assinaturas BLS não são perfeitas para todos os casos de uso em cripto.

As operações de emparelhamento podem ser caras em comparação com operações mais simples de curvas elípticas.

Os detalhes de implementação também são mais complexos do que a ideia básica pode sugerir.

Os desenvolvedores precisam tratar corretamente as regras hash-to-curve, as verificações de subgrupo, a serialização, a separação de domínio, a validação de chaves e a lógica de prova de posse.

Se esses componentes estiverem incorretos, o sistema poderá aceitar chaves inválidas, permitir ataques de repetição ou deixar de oferecer a segurança esperada.

As assinaturas BLS também podem gerar riscos operacionais quando validadores usam chaves quentes que precisam permanecer online para assinar regularmente.

Uma chave quente é conveniente para a assinatura automatizada, mas fica mais exposta do que uma chave armazenada totalmente offline.

Por isso, sistemas de validadores baseados em BLS precisam de segurança operacional robusta, monitoramento, proteção contra slashing e práticas seguras de backup.

O que é separação de domínio em BLS?

A separação de domínio é um método que garante que uma assinatura criada para uma finalidade não possa ser reutilizada para outra.

No universo cripto, os mesmos bytes de uma mensagem podem aparecer em diferentes contextos.

Sem separação de domínio, uma assinatura destinada a uma ação de protocolo poderia ser interpretada como aprovação de outra ação.

Os sistemas BLS costumam usar tags de separação de domínio ou identificadores de conjuntos de cifras para vincular assinaturas a um caso de uso específico.

Isso ajuda a evitar ataques de repetição e confusão entre protocolos.

Por exemplo, um voto de validador, uma mensagem relacionada a um saque e uma aprovação de governança não devem compartilhar o mesmo contexto de assinatura, a menos que o protocolo permita isso intencionalmente.

A separação de domínio é um dos motivos pelos quais dois sistemas BLS que usam a mesma curva ainda podem ser incompatíveis.

A curva é apenas uma parte da especificação completa da assinatura.

O que é hash-to-curve em BLS?

Hash-to-curve é o processo de converter uma mensagem em um ponto válido de uma curva elíptica.

A assinatura BLS precisa dessa etapa porque a assinatura é criada a partir de um ponto da curva relacionado à mensagem.

Uma função de hash comum produz bytes, mas a BLS precisa de um ponto no grupo matemático correto.

A conversão deve evitar viés, pontos inválidos e vulnerabilidades de canal lateral.

Por isso, as implementações modernas usam métodos hash-to-curve bem especificados em vez de soluções improvisadas.

O padrão de hash para curvas elípticas é importante porque oferece aos desenvolvedores orientações mais seguras para essa etapa do processo.

Para os usuários, hash-to-curve é algo invisível, mas está entre os detalhes técnicos que mantêm a confiabilidade das assinaturas BLS.

Casos de uso comuns das assinaturas BLS em cripto

As assinaturas BLS são usadas ou consideradas em muitos sistemas de criptomoedas que precisam de provas compactas de várias aprovações.

O consenso Proof of Stake pode usar a agregação BLS para reunir votos de validadores com eficiência.

Sistemas de staking podem usar chaves BLS para as tarefas de assinatura dos validadores.

Sistemas de custódia de limiar podem usar assinaturas no estilo BLS para reduzir o risco associado a uma única chave.

Protocolos de bridge podem usar assinaturas agregadas para provar que um comitê aprovou um evento cross-chain.

Redes de oráculos podem usar assinaturas agregadas para confirmar relatórios de dados de várias fontes.

Sistemas de governança descentralizada podem usar assinaturas agregadas para compactar as aprovações de vários participantes.

Sistemas de camada 2 podem usar assinaturas BLS quando precisam de verificação em lote eficiente ou confirmações baseadas em comitês.

O ponto em comum é que a BLS se torna mais útil à medida que aumenta o número de signatários.

Como os usuários devem entender as assinaturas BLS

Um usuário de criptomoedas não precisa calcular emparelhamentos ou pontos de curvas elípticas para entender o valor da BLS.

A ideia prática é que a BLS permite transformar várias assinaturas em uma única prova.

Isso pode tornar os sistemas de validadores mais eficientes e ajudar as redes a escalar a comunicação de consenso.

Os usuários também devem entender que uma assinatura BLS é tão segura quanto o sistema ao seu redor.

As chaves privadas precisam ser protegidas.

As chaves públicas precisam ser validadas.

As mensagens precisam ser definidas com clareza.

As implementações precisam seguir a especificação correta.

Os protocolos precisam evitar ataques de repetição, ataques de chave maliciosa e agregação insegura.

Quando essas condições são atendidas, as assinaturas BLS podem ser uma das ferramentas criptográficas mais úteis da infraestrutura blockchain moderna.

Perguntas frequentes

O que significa BLS em assinatura BLS?

BLS significa Boneh, Lynn e Shacham, os pesquisadores que apresentaram o esquema de assinatura curta.

Para que serve uma assinatura BLS em cripto?

Uma assinatura BLS é usada para provar a aprovação de uma chave privada e agregar várias aprovações em uma única assinatura compacta.

Por que as assinaturas BLS são úteis para as blockchains?

As assinaturas BLS são úteis porque podem reduzir a quantidade de dados de assinatura que as blockchains precisam armazenar, transmitir e verificar.

O que é agregação de assinaturas BLS?

A agregação de assinaturas BLS é o processo de combinar várias assinaturas BLS em uma só, que ainda pode provar a participação de vários signatários.

Uma assinatura BLS é igual à BLS12-381?

Não. Uma assinatura BLS é um esquema de assinatura, enquanto BLS12-381 é uma curva elíptica compatível com emparelhamentos, frequentemente usada para implementar assinaturas BLS.

O que é um ataque de chave maliciosa em BLS?

Um ataque de chave maliciosa ocorre quando um signatário mal-intencionado registra uma chave pública manipulada para fazer uma assinatura agregada parecer válida de forma desonesta.

Como os sistemas BLS evitam ataques de chave maliciosa?

Os sistemas BLS podem evitar esses ataques usando validação de chaves públicas, prova de posse e regras seguras de agregação.

As assinaturas BLS são mais rápidas do que outras assinaturas?

As assinaturas BLS nem sempre são mais rápidas para uma única assinatura, mas podem ser mais eficientes quando várias assinaturas são agregadas e verificadas em conjunto.

As assinaturas BLS protegem as chaves privadas?

Não. As assinaturas BLS provam que uma chave privada assinou uma mensagem, mas usuários e validadores ainda precisam proteger a chave privada com práticas de segurança robustas.

Por que os validadores usam chaves BLS?

Os validadores podem usar chaves BLS porque a agregação BLS ajuda as redes a reunir e verificar muitos votos de validadores usando menos dados.

Conclusão

Uma assinatura BLS é um esquema de assinatura digital que desempenha um papel importante na infraestrutura moderna de criptomoedas.

Sua principal vantagem é a capacidade de agregar várias assinaturas em uma única prova compacta.

Isso a torna especialmente útil para validadores Proof of Stake, sistemas multisig, assinaturas de limiar, bridges, redes de oráculos e outros sistemas cripto que dependem de aprovações de vários participantes independentes.

As assinaturas BLS dependem de curvas elípticas compatíveis com emparelhamentos, métodos hash-to-curve seguros, validação cuidadosa de chaves públicas e separação de domínio robusta.

Elas podem reduzir o volume de dados e melhorar a eficiência dos protocolos, mas precisam ser implementadas com regras de segurança rigorosas.

Para os usuários de criptomoedas, a ideia principal é simples: uma assinatura BLS ajuda uma blockchain a comprovar várias assinaturas usando menos dados.

Para desenvolvedores e validadores, a lição mais profunda é que a BLS só é poderosa quando o sistema completo trata corretamente as chaves, as mensagens, a agregação e a verificação.