浅谈 BLS 签名和 Eth2.0 的故事

自 ETH 2.0 采用 BLS 签名技术以来已有 2.5 年左右，以下是一些里程碑事件。

2018 年 5 月，我在 ethresear.ch 上发表了一篇文章，指出 BLS 签名可以让 ETH 2.0 实现 32 ETH 的最低质押机制，以及 1024 个分片，可以将去中心化程度和可扩展性提高几个数量级。

2018 年 10 月，我写信告诉 Dan Boneh（以太坊基金会的密码学顾问）说：“我们正在考虑效仿 Zcash 和 Chia，在 ETH 2.0 中使用 BLS12-381 曲线。” 对此，他回复道：“（以我们的现有知识来看）BLS12-381 曲线是正确的选择。” 当时的背景是，一篇 2016 年的论文将 BN254 的安全等级从大约 128 位降至 110 位。鉴于区块链基础设施的设计目标是能够沿用数十年，为此我们采取密码学保守主义，而且 ETH 2.0 研究团队确实不满意 BN254 的现状。（使用 BLS 签名的另一个原因是，在密码学生产系统中使用曲线配对本身就很激进了。）

在 2019 年 3 月和 4 月，我们做了一些号召工作。我联系了很多区块链项目（Chia、Filecoin、Dfinity、Cosmos 和 Ledger 等），旨在让所有项目都采用同样的密码学原语，以便实现互操作性、库重用、共享安全审计等。具体来说，我们的目标是号召人们参与 IETF BLS 标准化工作。这项工作是独立启动的，当时仍处于萌芽状态。有数十个人参与这项工作，创建了 Telegram 群组，并定期举行电话会议。

还是在 2019 年 4 月，Riad Wahby 在这篇文章中提议了针对 BLS12-381 的常量时间曲线哈希。常量时间哈希的用处很大，可以简化 SNARKs 的算术化，简化区块链操作码的 gas 计量，为特定应用解决时序和 DoS 攻击问题，也就自然而然地成为了 IETF 标准的一部分。实际上，剩余标准化工作（例如，选择生成器和点序列化）很多都是由 Zcash 完成的。

2019 年 9 月， Carl Beekhuizen 写了三个 EIP（2333、2334、2335），从除 IEFT 标准以外的方面对 BLS 进行标准化，例如，量子安全备份、HD 钱包（分层确定性钱包）和密钥库等。

2019 年 11 月，我们正在研究性能最好的 BLS12-381 实现。我自己开始学习更复杂的 BLS 优化，并在 Prysm 的 Raul 的介绍下认识了 Shigeo Mitsunari（目前最快的实现 Herumi 库的作者）。几周后，以太坊基金会给了 Shigeo 一笔资金，让他跟进 IETF 标准的草案，为 ETH 2.0 客户端写一些 binding，并提升 Herumi 库的性能。虽然 Herumi 库的性能是最好的，但是这个库非常复杂，很难进行形式化验证。

2020 年 1 月，Supranational【该团队由三名 Intel 前资深员工组成，负责 VDF（可验证延迟函数）项目的所有硬件工作，我每周都会与他们进行电话会议】告诉我，他们相信自己能够创建一个库，不仅在性能上优于 Herumi 库，而且对形式化验证更友好。为此，他们还专门找来了 Andy Polyakov。Andy Polyakov 是一名专门研究高性能密码学的工程师，具备形式化验证的经验。

2020 年 4 月，以太坊基金会和 ProtocolLabs 给了 Supranational 一笔资金，用于构建生产级库，并让汇编实现通过 Galois 团队的形式化验证。2020 年 6 月，第一版 BLST 上线，性能惊人。接下来的几个月，由于创建了绑定，并得到了集成支持，ETH 2.0 客户端集成了 BLST。ETH 2.0 客户端在性能上得到了巨大提升（关于具体的例子，请查看这里和这里）。

在 2020 年，我们必须应对的复杂因素之一是，IEFT 标准草案的修改。这些修改在很大程度上是我们所无法控制的。虽然这些修改从技术层面上来看很小，但是在操作层面上很难，因为需要多个参与方之间进行协调。这些修改造成了很大的摩擦，有时需要花费数小时来讨论具体细节（细节决定成败）。

2020 年 9 月，BLST 库被移交给了 Galois 团队。同时，形式验证取得了重大发展。同样在 9 月，Danny（又与 ProtocolLabs 一起）写了一篇征求意见书，要求审计 BLST 的 binding（这部分不属于形式化验证）和汇编（未经过 100% 的形式化验证）。审计工作由 NCC 公司负责，并于 10 月开始。NCC 有望在几周内完成绑定的审计工作。

总而言之，这无疑是一个漫长而曲折的过程，涉及早期研究、密码分析安全性、标准化、性能、形式化验证和审计。我们所走的每一步都是在努力朝着正确的方向前进，而不是为了走捷径。正如我在这条推特中所言，我们在增加以太坊 2.0 的实现难度，放弃了原本可走的捷径，追求长期的质量。

我希望上述内容可以让大家明白，为了向正确的方向迈进，我们投入了大量工作，比我在 2018 年预期的还要多。我想，每个关注 ETH 2.0 的人都致力于推动 ETH 2.0 在 2020 年如期创世。准备好你的质押品吧 :)

（完）