万向峰会DFINITY首席研究员演讲全文：基于区块链的ECDSA签名服务

9 月 19 日，由万向区块链实验室举办的第九届区块链全球峰会在上海外滩 W 酒店举办。峰会以「下一站，Web3.0 」为核心主题，聚焦Web3.0、AI、DePIN 三大领域，邀请了数十位海内外优秀开发者、专家学者和知名项目创始人共话新纪元下的Web3.0 世界图景。

DFINITY 首席研究员 Jens Groth 以「基于区块链的 ECDSA 签名服务」为主题发表演讲。他表示，区块链想要成功的话，必须要实现的跨链互操作性，而且整个世界也需要有这样的跨链互操作性。区块链真正吞噬到软件的世界要达到两个核心要求，性能与集成。Jens Groth 表示将持续研究如何持续提升性能，使得 IC 上的智能合约可以直接存储 BTC，并且能和比特币网络进行交互。

以下为 Jens Groth 的演讲内容：

Jnes  Groth：大家好，我今天想跟大家分享的是我们在 Dfinity 的做的工作，就是 ECDSA 签名服务。在这里从宏观视角介绍一下，区块链想要成功的话，必须要实现的跨链互操作性，而且整个世界也需要有这样的跨链互操作性。所以我们希望在中间做出贡献，必须做一些硬核研究，我希望从用户需求的角度一直到加密算法的角度，来介绍一下要做什么，以及可以做什么。首先介绍一下 Dfinity 基金会，现在有将近 300 员工，是绿色非盈利组织。我们在研发方面进行了大量投入，也获得了大量成果，发布了很多论文。在几年之前推出了 IC 互联网计算机，这是我们的区块链网络，我们希望将所有的传统技术栈放到区块链平台上，这就是我们希望实现的目标。我们实现从Web2到Web3的迁移，我们在这个领域已经深耕了多年。

我现在跟大家具体介绍一下，所有的人当前都关注的一个核心问题，就是区块链是否会吞噬软件栈？从 Dfinity 的软件来说，诚然它有很多优势，这些优势使得我们能替换现有的 IT 站，这从安全性和用户保护角度来说，都是一件好事，也是优势。现在它还只是一条小鱼，我们希望这条小鱼变得越来越大，我们必须证明这是一个可行的理论，并且也会在未来十看到这个理论到底如何变成现实。

现在再看一下区块链，以及区块链会吞噬整个软件世界会意味着什么？区块链意味着公共账本，需要有区块链协议，区块链协议主要是定义区块链网络中的节点如何实现协作，以及如何达到共识，成块的顺序是什么等等。我们需要和区块链平台进行交互，在这个平台上面需要有一些物理机能够和互联网进行连接，除此之外还需要有执行的范式，还要有 Dapp 部署在区块链平台上。除此之外，还要有区块链项目，需要有一些 SDK 为开发者所用，在区块链平台上进行 Dapp 的开发。需要有一些方式，使得用户能和平台进行交互，除此之外还需要有社区，能够和不同的区块链进行交互。所以这一切都非常重要，只有通过这一切的达成，才能够使得区块链真正吞噬到软件的世界。

在这里有两个核心要求，一个核心要求是性能，因为区块链的性能必须提高。人们要获得像手机一样的交互体验，这是对区块链的核心要求。另外一个核心要求就是集成，也就是区块链上的智能合约需要彼此之间进行交互。要解决第一个核心诉求，也就是区块链到底是否能获得具有竞争力的性能呢？这就里就存在挑战，因为对区块链来说，智能合约的状态在不同的机器之间进行复制。如果你需要执行一个指令的话，所有的机器都必须要达到共识，所有的机器要达到共识，这决定了下一个状态是什么，才能够去执行。也就是在区块链上进行执行是存在一些重复的工作，我们通过研究证明了区块链可以和传统的云计算媲美的。这种复制状态机，也就是通过研究所传递出来的信息，我们研究表明复制状态机可以跟传统服务器进行竞争，这个研究报告是我们在 2023 年的 ATC 大会上发布的。在世纪中这意味着什么呢？从区块链角度来说性能能达到怎样的程度呢？我们可以在写时延达到 1 秒到 2 秒，可以和传统的互联网模式相媲美。而读的时间只有 200 毫秒，虽然写 1 秒到 2 秒相对较长，但对于很多应用来说是可以接受的。比如你做的是面向媒体的应用，用户发布了什么东西，等 1 秒到 2 秒，再在平台上正式发表，这样的等待时间是用户可以接受的。我们还有高吞吐量，这是在世纪中的应用，我们每一秒可以做到处理数十万笔的交易。除此之外智能合约使我们变得非常强大，智能合约以非常低的成本存储数百 QB 的数据。我在这里做一个数据性能对比，从一般情况来说， 32 GB 是它的上限。区块链的性能上限在哪呢？我们进行衡量的单位就是能耗，所以我们对于能耗进行了衡量，处理每一笔交易的耗能低于一个灯泡需要的能耗。

希望我通过刚刚的介绍，让大家已经相信了，区块链是有潜力、有能力达到所需要的性能，能够真正取代传统的 IT 软件栈。另外一个要求区块链要和世界进行交互，要实现这一点，区块链必须要能够和用户进行交互，能够为用户提供很好的终端使用体验。如果用户打开一个浏览器，并且并定向到区块链或区块链上的 Dapp，这就是我们希望实现的用户无缝式体验。我们还希望给开发者很好的体验，我们并不希望这些开发者在开发过程中变得非常困难。我们希望开发者的开发体验能够非常流畅，一切都能在智能合约上面完成。整个底层的区块链平台可以解决后续所有的问题，所以用任何喜欢的软件进行开发，无论是 python 还是其他。有一些其他的区块链，也提供其他的手段，比如提供Web3你喜欢的编程语言，编译程区块链喜欢的底层语言。这就是如何对区块链平台进行管理、升级、优化，最终将如何进行集成，并且通过这样的方式，逐渐使得用户接受你的区块链。

这也是我们一直致力于做的事情。我们一切都在链上进行托管，也就是说用户去了 IC，可以在 IC 统一的界面上看下一代的 dapp。如果他们通过投票方式同意升级的话，这个平台就能够升级，但它们就可以看到下一代的平台，而且我们是每一周都会做这样的投票。我们将其称为硬分叉。这里展示的就是一些链接，如果大家想感受一下 IC 的用户体验，可以点击其中的链接看一下用户的体验。同时我们也有链接是让开发者感受开发体验，一切都直接是托管在 IC 之上，也就是没有任何的中间层。

另外我希望专注的是 ECDSA 的签名服务，以及 ECDSA 签名服务带来怎样的可能性，它如何助力与 dapp 与世界进行交互，在 IC 上部署的 Dapp 必须从其他地方获得数据，并且发给其他应用和平台。我们也可以提供相关的服务，使得智能合约可以做 HTB 的请求，我们提供区块链集成的服务。但是今天我的主题是 ECDSA，也就是我将会聚焦于 Dapp 如何在 IC 上实现和比特币网络之间的交互。

我们主要是做跨链之间的通信，以及交互，也就是说在 IC 智商运行部署的节点，能够有多个联系的方式，去和比特币网络的验证者建立交互和连接。

哪怕说在出现了一些比特币的网络验证者是恶意验证者，IC 网络上的节点和比特币网络之间的连接也不会丧失。这里的关键，就是听起来很好，已经可以和比特币网络进行通信。但是比特币网络只会接受已经签名的交易，因为智能合约是没有办法存储私钥的，因为智能合约是复制的。任何节点存储的数据，并且是复制了节点，乳鸽这个节点是恶意的话，就会有一些窃取私钥被盗的风险。是这意味着对于需要有签名服务，我需要一个公钥，签名服务说，这就是公钥。智能合约说，请给签名。然后就签名了。现在智能合约拿到了签名的交易以后，就可以和比特币网络进行交互了。

我们现在将这个问题又踢到了 ECDSA 签名服务，以及签名服务如何实现互操作的可能性。比如像匿名分享技术，也就是所有的节点集体拥有签名的密钥，但是整个节点网络中没有一个单独的节点拥有完整的密钥。通过创建密钥，我们可以用多签计算的协议，对于消息进行签名。而且通过这样的方式，我们也实现了安全性，整个节点网络中没有任何一个单独的节点对签名进行篡改。相其实这样的技术从 20 世纪 80 年代就已经存在了，所以它的安全性是久经考验的。它的难度在于，如果在实现安全性的同时，保证它的行营。我们在这方面提出了整体解决方案，与此同时我们也可以对于节点有很高程度的容错性。而且实现了异步交易和异步通信。这和多方计算的文件是不一样的，你觉得异步交易或异步通信是个很简单的模型。但是现实是，有时候的话，在通信过程中会出现一些通信中断的。除此之外，在 ECDSA 签名服务方面，也有大量的研究和性能，这实际上是没有办法通过 ECDSA 最终能得到签名，这是我们所关注、所致力于研究的领域。现在大家可以看到，我刚刚已经提出了问题，需要一个高效的方式解决问题，有什么方案呢？我提出一种解决方案。ECDSA 对消息进行哈希，再进行后续操作。比如我们在这里一个切片里面是智能合约，另外一个切片是我们想传递的消息。在这样的情况下，将整个消息进行传递的话，对消息进行哈希，仅发送消息的哈希，这是所生成的原始签名。对于另外两个性能的提升方案，快速给大家介绍一下。其中就包括大 D，这个密钥是长算法，用来做签名的。它里面包含了一个 Y 作为集体的元素。现在的核心在于你不做多方的计算，你首先有一个阶段就是你不需要知道消息的情况下，就可以进行预与，使得签名过程更快。因为一旦你做了预计算，收到消息以后，可以快速对消息进行签名。从这个角度来说，还是存在问题的，就是它是否还是安全的。你首先进行了预警，然后进行发布，这一步是否安全？我们对其进行了安全性分析，最后得出的结论，如果你不跟原始的签名相结合的话，是完全不安全的。

还最后一个优化方案，就是加法密钥派生。想一下，我们有 ECDSA 的签名服务，它有数百万个不同智能合约，管理数百万的密钥，这是很贵的。因为它需要先生成密钥，如果有些节点离开网络，就需要进行密钥的流转。我们对此的解决方案就是，通过单一的主密钥再衍生或派生出其他密钥，通过算法来实现。在这里的话，已经有相关的标准，比如说像这个标准，就告诉你如何利用智能合约 ID 去派生出公共的数字 E。也就是通过这种方式，你只需要管理一个主密钥。从安全性来说，它和预计算相结合，安全性是否满足要求呢？这是一个值得研究的课题。我们做了很多优化，这些优化都带来了安全性问题，我们需要有降低风险的措施。其中包括一个解决方案，就是我预签名，对签名预计算，进行公开随机化。通过这样的方法，可以通过预签名、预计计算的方式，提升它的效率。

所以我们对于所有不同的组合进行了对比，包括预签名的公开、加法、密钥、派生，以及原始签名等等，这一切都是在 2022 年发表的研究论文。这张幻灯片展示的就是我们分析的结果，需要的就是在这些不同的 LOGO 之间，按照你的需求进行筛选。这使得我们成功完成 IC 与比特币网络之间的集成，虽然依然很慢，但考虑到比特币的交易处理速度只有每秒 7 个交易，我们可以做 ECDSA 的签名服务。无论是和比特币的集成，还是和以太坊的集成，还是和其他币的集成，都可以做。我们持续研究的是如何持续提升性能，我们也会看其他签名，比如石墨签名，可以实现更快的处理速度，凡此种种，就使得 IC 上的智能合约可以直接存储 BTC，并且能和比特币网络进行交互，非常感谢各位的聆听！