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ETH LayerZero Labs 推出 Aerie：在普通笔记本上实现量子抗性签名的快速聚合
LayerZero Labs 近日发布了名为 Aerie 的研究系统。据其开发团队介绍，该系统能够在无 GPU 加速的 Apple 笔记本电脑上，于 0.65 秒内聚合 32,768 个基于 Falcon 算法的量子抗性签名。
核心性能指标
- 处理速度：使用 16 个工作线程，在 0.65 秒内完成 32,768 个 Falcon-512 签名的聚合。
- 数据保留：Aerie 的标准聚合体包含保留的签名数据；此外，还有一种体积更小的共享盐（Shared-Salt）版本，但需满足额外条件。
- 性能对比：研究人员报告称，Aerie 的证明生成速度快于 leanVM，而 leanVM 的验证速度则更快。
NIST（美国国家标准与技术研究院）已将 Falcon 列为正在标准化过程中的算法，这与其已正式定稿的 ML-DSA 签名标准是分开的。LayerZero 于 10 月 16 日发布的公告指出，该项目由 LayerZero 自身团队、a16z Crypto Research、卡内基梅隆大学和伦敦帝国理工学院的研究人员共同贡献，并建立在 Akita 密码学证明系统之上。
解决区块链验证难题
随附的研究论文提出了一种将数千个数字签名合并为一个有效性证明的方法。作者将这项工作置于权益证明（PoS）区块链面临的挑战背景下：验证者签署确认网络状态的消息，而其他参与者必须检查这些签名。目前，以太坊使用 BLS 签名将约 32,000 个验证者投票聚合成一个小签名。然而，BLS 无法抵御量子攻击，而美国标准机构选定的后量子替代方案缺乏同样的内置聚合能力。
Aerie 将证明生成时间缩短至一秒以内
在 Apple M4 Max 芯片的基准测试中，Aerie 使用 16 个工作线程处理 Falcon-512 批次，峰值内存使用量为 2.1 GiB。另一项由 16,384 个 Falcon-1024 签名组成的工作负载，在类似内存需求下耗时 0.63 秒。
研究人员指出，Falcon-1024 是安全性更高的选项，其签名更大且计算量多于 Falcon-512。论文报告称，若限制为单线程，生成任一工作负载的证明大约需要 4.3 秒。
根据基准测试表，在单个核心上检查完成的 Falcon-512 聚合体仅需 54 毫秒，而单独检查这些签名则需要 519 毫秒。在使用 16 个线程的情况下，相应数据分别为 11.6 毫秒和 42.9 毫秒。
直接构建批量证明
论文以直白的语言描述了批量构建过程：“一个证明覆盖整个批次，无需递归。”
作者表示，避免递归消除了创建中间证明并通过连续轮次将它们组合的需求。其设计允许持有签名的另一个节点在原始聚合器失效时生成替换证明。
较小的证明仍携带签名数据
研究人员解释说，Aerie 从每个签名中保留了一个短随机值，称为“盐”（Salt），以便验证者可以直接计算相关的哈希值。证明部分负责其余的数学检查，并利用 Akita 支持构建。
对于包含 32,768 个签名的 Falcon-512 工作负载，论文报告的聚合体大小为 1,346 KiB（包括盐和标头）。其中，证明部分约占 66 KiB，而保留的盐占据了剩余的大部分数据。
作者将标准聚合体的大小定为每签名 42.1 字节，约为其所替换的填充式 Falcon 签名的十六分之一。需要注意的是，其尺寸测量排除了单独提供给验证者的公钥和消息。
论文指出，如果采用共享盐，完整的聚合体可缩小至约 66 KiB，但该估计取决于单独的签名策略和安全假设。研究人员明确表示，该尺寸估算并不构成对该策略合规性的确立。
与早期系统的性能对比
与早期的 Falcon 聚合系统 Orthus 相比，团队报告称在同一服务器上实现了 1.5 倍的证明生成速度提升、38 倍的验证速度提升，且证明体积缩小了 1.7 倍。论文对此比较进行了限定说明，解释称 Orthus 的工作负载省略了 Aerie 执行的签名格式检查。
以太坊的比较涉及不同的签名设计
论文将 Aerie 与 leanVM 进行了比较，后者是以太坊基于哈希的聚合工作的一部分。此前有报道指出，以太坊研究人员一直在开发证明基础设施，以压缩大型后量子签名供网络使用。
在第 6.3 节中，Aerie 的作者报告称，在相同的 M4 Max 芯片上运行 leanVM，并使用所有核心在 0.51 秒内聚合了 900 个 XMSS 签名。在此条件下，Aerie 的 Falcon-512 证明吞吐量是 leanVM XMSS 吞吐量的 29 倍。
研究人员报告了验证方面的权衡。在上述配置中，leanVM 的证明在一个线程上的验证时间为 5.9 至 6.5 毫秒，快于 Aerie 对其 32,768 签名批次的单线程 54 毫秒结果。
另一项独立的以太坊工作探讨了验证者如何采用新签名。今年 8 月的一份草案提议部署一种“准备好应对量子威胁”的存款合约，具有可变长度的加密数据和退役新 BLS 存款的机制。该提案的 GitHub 记录仍处于草稿提交状态，其描述中提到了不可逆的 BLS 退役模式，讨论记录显示仍有待解决的技术反馈和审查要求。
在 9 月 7 日的优先事项文件中，以太坊基金会协议集群设定了 2029 年 12 月的量子抗性目标，涵盖执行、共识和数据层面。基金会称，将 2030 年出现的量子威胁作为规划假设是刻意激进的，预计外部专家将从 2027 年 1 月开始协助重新评估进展。
美国标准将 Falcon 与已定稿的替代方案区分开来
美国国家标准与技术研究院（NIST）列出了 2024 年 8 月正式定稿的数字签名标准 ML-DSA 和 SLH-DSA。其当前的项目概述指出，Falcon 已被选定用于持续标准化，这与已完成的标准地位不同。
NIST 建议组织开始迁移易受攻击的系统，并将 2035 年定为从其标准中移除量子脆弱算法的最终期限，高风险系统将更早过渡。
LayerZero 表示，ML-DSA 的聚合功能已在 Aerie 内部运行，但其公告中Exact performance figures and implementation details remain pending（确切的性能数据和实施细节仍在待定中）。
