Pixel: Multi-signatures for Consensus

This paper published in Conference of USENIX Security Symposium 2020.

摘要

在权益证明（PoS）和有准入机制的区块链中的通用架构中，包含了一个验证委员会负责同意并签署每个新的交易区块，这些区块由网络中的所有用户验证、传播和存储。然而，**后发腐败攻击（长程攻击）**对这些设计构成了常见的威胁，因为敌方可以在委员会的验证者认证了一个区块之后进行破坏，使用他们的签名密钥来认证一个不同的区块。因此，设计高效和安全的数字签名用于PoS 区块链，可以大大减少带宽、存储和节点的计算要求，从而实现更高效的应用。

我们提出了Pixel，一个为区块链使用而优化的基于配对的前向安全多签名方案，在带宽、存储需求和验证工作方面实现了大幅节省。Pixel签名包含两组元素，无论签名者的数量如何，都可以使用三个配对和一个指数进行验证，并支持将单个签名非交互式地聚合到一个多重签名。Pixel具前向安全性质，并且满足签名者随着时间的推移不断发展他们的密钥，这样一来，新的密钥不能用于在旧区块上签名，以保护区块链免受后发腐败的攻击。我们展示了如何将Pixel整合到任何PoS区块链中。接下来，我们评估了 Pixel在一个真实世界的PoS区块链实施中，显示它在存储、带宽和区块验证时间方面的性能。我们的方案极具成效，Pixel将1500个交易的区块的大小减少了35%，验证时间减少38%。

技术概要

看懂这篇文章，建议自行补充知识点，以下描述均为个人理解：
1.前向安全性（即时主密钥泄露也可以保证历史通讯的安全）
2.双线性对(双方互不了解，根据加密合约进行工作，得出一种结果，这个结果的反推非常艰难）
3.BLS签名方案（聚合签名，不具有前向安全性）
4.加密方案的选择取决于数据的量级，Pixel方案是Algorand团队设计的，因此需要了解Algorand的基本特点。

构建基于分层身份的加密（HIBE）的前向安全签名，并增加了在同一消息上安全地聚合签名以及生成无可信集的公共参数的能力，以实现：

生成与更新密钥

防止恶意密钥攻击的安全性

无信任装置

有益效果

本文提出了Pixel签名方案，这是一种基于配对的前向安全多签名方案，可用于基于PoS的区块链，可大幅节省带宽和存储要求。为了支持总共T个时间段和一个大小为N的委员会，多重签名仅包含两个组元素，并且验证仅需要三对配对，一个乘幂和N -1个乘法。像素签名几乎与BLS多重签名一样有效，而且还满足前向安全性。此外