LayerZero Labs 推出名为 Aerie 的研究系统,目标是为后量子区块链签名聚合提供高效方案。公司随附论文称,Aerie 可在未启用 GPU 的 Apple 笔记本上,以 0.65 秒聚合 32768 个抗量子 Falcon 签名。
基准测试
在 Apple M4 Max 上,Aerie 使用 16 个工作线程处理 32768 个 Falcon-512 签名,峰值内存占用 2.1 GiB。另一组 16384 个 Falcon-1024 签名任务耗时 0.63 秒,内存需求相近。Falcon-1024 被视为更高安全选项,签名更大、计算更多。论文称,在单线程限制下,为任一工作负载生成证明约需 4.3 秒。
验证方面,检查完成的 Falcon-512 聚合在单核上耗时 54 毫秒,逐条检查签名为 519 毫秒;使用 16 线程时,两项数据分别为 11.6 毫秒和 42.9 毫秒。
无递归与保留盐值
论文描述称,一份证明覆盖整个批次,且不使用递归。作者认为,避免递归可省去创建中间证明并通过多轮组合的步骤。若原始聚合者失败,持有签名的另一节点可生成替代证明。Aerie 保留每条签名中的短随机盐值,使验证者能直接计算相关哈希;证明负责其余数学检查,并使用 Akita 支持构造。
对于 32768 个 Falcon-512 签名,论文报告聚合大小为 1346 KiB,包含盐值和头部。其中证明部分约 66 KiB,保留的盐值占其余大部分数据。作者给出的标准聚合为每签名 42.1 字节,约为其替代的填充 Falcon 签名的小 16 倍。尺寸测量不包括单独提供给验证者的公钥和消息。论文称,共享盐值可使完整聚合降至约 66 KiB,但该估算取决于单独的签名策略和安全假设;研究人员明确表示,这一尺寸估算并不证明符合该策略。
对比与以太坊背景
与早期 Falcon 聚合系统 Orthus 相比,团队报告在同一服务器上证明生成快 1.5 倍、验证快 38 倍、证明小 1.7 倍。论文也提醒,Orthus 的工作负载省略了 Aerie 执行的签名格式检查。
论文还将 Aerie 与以太坊哈希聚合工作 leanVM 比较。在第 6.3 节中,Aerie 作者称在同一 M4 Max 上运行 leanVM,用所有核心在 0.51 秒内聚合 900 个 XMSS 签名。其比较称,在这些条件下,Aerie 的 Falcon-512 证明吞吐量是 leanVM XMSS 吞吐量的 29 倍。验证方面存在取舍:LeanVM 证明在引用配置下单线程验证耗时 5.9 至 6.5 毫秒,快于 Aerie 32768 签名批次单线程 54 毫秒的结果。
该工作面向权益证明区块链的问题:验证者签署消息确认网络状态,其他参与者必须检查这些签名。论文称,以太坊目前使用 BLS 签名将约 32000 个验证者投票合并为一个小签名。BLS 无法抵御量子攻击,而美国标准官员选择的后量子替代方案缺乏同等内置聚合能力。
贡献者、标准与下一步
LayerZero 在 10 月 16 日公告中列出贡献者,包括其团队、a16z crypto research、卡内基梅隆大学和帝国理工学院的研究人员。项目基于 Akita 密码证明系统。
美国国家标准与技术研究院将 ML-DSA 和 SLH-DSA 列为 2024 年 8 月最终敲定的数字签名标准。其当前项目概览显示,Falcon 被选入持续标准化流程,与已完成标准状态不同。NIST 建议组织开始迁移易受攻击系统,并将 2035 年设为从标准中移除量子脆弱算法的终点,高风险系统应更早过渡。
以太坊另有工作探讨验证者如何采用新签名。8 月的一份草案提出后量子就绪存款合约,支持可变长度密码数据,并设有淘汰新 BLS 存款的机制。该提案在 GitHub 上仍为草案提交。其描述提到不可逆的 BLS 退役模式,讨论记录显示仍有技术反馈和审查要求。以太坊基金会 Protocol Cluster 在 9 月 7 日优先级文件中设定 2029 年 12 月的量子抗性目标,覆盖执行、共识和数据。基金会称,将 2030 年出现量子威胁作为刻意激进的规划假设,并预计外部专家从 2027 年 1 月开始帮助重新评估进展。
LayerZero 表示,ML-DSA 聚合已在 Aerie 内运行,但公告中尚未给出确切性能数据和实现细节。
