Firma BLS

¿Qué es una firma BLS?

Una firma BLS es un esquema de firma digital utilizado en sistemas de criptomonedas para demostrar que el titular de una clave privada ha aprobado un mensaje.

El nombre BLS procede de Boneh, Lynn y Shacham, los investigadores que presentaron este esquema de firma corta en el artículo Short Signatures from the Weil Pairing.

En el ámbito cripto, las firmas BLS destacan sobre todo porque permiten combinar muchas firmas individuales en una única firma agregada y compacta.

Esta función de agregación ayuda a las blockchains a reducir el espacio de almacenamiento y las necesidades de ancho de banda, además de verificar de forma más eficiente las aprobaciones de muchos validadores.

Una firma digital normal demuestra que una clave privada ha firmado un mensaje, mientras que una firma BLS agregada puede demostrar que muchas claves privadas han firmado mensajes sin almacenar cada firma por separado.

Esto hace que las firmas BLS sean útiles en el consenso Proof of Stake, los comités de validadores, la firma de umbral, las carteras multifirma, la comunicación entre cadenas y otros sistemas en los que varias partes deben aprobar un mismo evento.

El borrador CFRG sobre firmas BLS describe BLS como un esquema de firma digital determinista, no maleable y eficiente, con propiedades de agregación.

Para los usuarios de criptomonedas, la explicación más sencilla es que una firma BLS ayuda a una blockchain a demostrar muchas aprobaciones con menos datos.

Por qué son importantes las firmas BLS en las criptomonedas

A menudo, las blockchains necesitan verificar un gran número de firmas en poco tiempo.

Los validadores firman bloques, atestaciones, puntos de control, votos, mensajes de bridges, informes de oráculos y acciones de gobernanza.

Si cada firma debe almacenarse y verificarse por separado, la red puede necesitar más espacio en disco, más ancho de banda y más potencia de procesamiento.

Las firmas BLS ayudan a resolver este problema al permitir comprimir varias firmas en una sola.

Esto resulta especialmente útil cuando muchos validadores firman el mismo mensaje, como una confirmación de bloque o un voto de finalización.

En lugar de enviar cientos o miles de firmas a través de la red, los participantes pueden enviar una única firma agregada junto con las claves públicas relacionadas o la lista de participantes.

El resultado puede ser un diseño más sencillo y escalable para los sistemas blockchain con muchos validadores.

Esto no hace que la blockchain sea automáticamente más rápida en todas las situaciones, pero ofrece a los diseñadores de protocolos una potente herramienta criptográfica para reducir la carga asociada a las firmas.

Cómo funciona una firma BLS

Una firma BLS parte de una clave privada, una clave pública y un mensaje.

La clave privada es un número secreto que nunca debe compartirse.

La clave pública se deriva de la clave privada y puede compartirse con la red.

Cuando un validador o una wallet firma un mensaje, primero se transforma el mensaje en un punto de una curva elíptica.

Esta transformación debe realizarse con cuidado, ya que un hash inseguro puede debilitar la seguridad del esquema de firma.

La especificación RFC 9380 de hash-to-curve explica métodos para transformar de forma segura cadenas de bytes arbitrarias en puntos de curvas elípticas.

Una vez transformado el mensaje en un punto de la curva, el firmante utiliza la clave privada para crear un punto de firma.

A continuación, un verificador comprueba la firma mediante la clave pública, el mensaje y una operación matemática denominada emparejamiento bilineal.

El emparejamiento es lo que diferencia las firmas BLS de muchos otros esquemas de firma.

Permite al verificador confirmar que la clave privada se ha utilizado correctamente sin revelar la propia clave privada.

¿Qué es la agregación de firmas?

La agregación de firmas consiste en combinar muchas firmas válidas en una sola.

En BLS, la agregación es posible porque las firmas son puntos de curvas elípticas que se pueden sumar.

Si diez validadores firman el mismo mensaje, sus diez firmas BLS pueden combinarse en una firma agregada.

Si mil validadores firman un punto de control, sus firmas también pueden combinarse en una firma agregada.

Entonces, el verificador puede comprobar la firma agregada con las claves públicas de los validadores participantes.

Esto resulta útil porque la prueba final puede ocupar mucho menos espacio que el conjunto original de firmas.

En las blockchains, las pruebas más pequeñas pueden traducirse en bloques más ligeros, una propagación más rápida y una menor presión sobre la red.

Para los usuarios, esto puede mejorar la infraestructura subyacente que ayuda a que la red siga siendo ágil y escalable.

Para los desarrolladores, la agregación BLS facilita el diseño de protocolos en los que muchos actores independientes deben firmar los mismos datos.

Firmas BLS y validadores Proof of Stake

Las firmas BLS se mencionan con frecuencia en el diseño de blockchains Proof of Stake porque los validadores deben demostrar periódicamente que están de acuerdo con determinados eventos de la red.

Un validador puede tener que firmar una propuesta de bloque, una atestación o un voto de finalización.

Cuando firman muchos validadores, la red necesita una forma fiable de contabilizar esas aprobaciones sin transportar datos innecesarios de forma indefinida.

La agregación BLS resulta útil porque puede representar muchas aprobaciones de validadores mediante un único objeto criptográfico compacto.

Las especificaciones de consenso de Ethereum son un ejemplo conocido de diseño Proof of Stake que utiliza lógica de firma relacionada con BLS en su capa de consenso.

Esto es relevante para la formación sobre criptomonedas porque demuestra que las firmas BLS no son solo una idea teórica de criptografía.

Se utilizan en sistemas blockchain reales para facilitar la coordinación de validadores a gran escala.

Sin agregación, los sistemas con muchos validadores pueden necesitar más ancho de banda y almacenamiento para registrar el mismo nivel de responsabilidad criptográfica.

BLS12-381 y las firmas BLS

Las firmas BLS suelen utilizarse con una curva elíptica compatible con emparejamientos llamada BLS12-381.

Esto puede resultar confuso porque BLS aparece tanto en el nombre del esquema de firma como en el de la familia de curvas.

En «firma BLS», BLS hace referencia a Boneh, Lynn y Shacham.

En «BLS12-381», BLS hace referencia a una familia de curvas compatibles con emparejamientos que recibe su nombre de Barreto, Lynn y Scott.

En la práctica, ambos términos están relacionados porque las firmas BLS necesitan curvas compatibles con emparejamientos y BLS12-381 es una opción habitual en los sistemas cripto modernos.

Una curva compatible con emparejamientos permite realizar la operación de emparejamiento bilineal de la que depende la verificación BLS.

BLS12-381 es popular porque ofrece un equilibrio entre rendimiento práctico y seguridad sólida para muchas aplicaciones blockchain.

Sin embargo, los desarrolladores nunca deben dar por hecho que todos los sistemas que usan BLS12-381 son automáticamente compatibles con cualquier otra implementación BLS.

La compatibilidad también depende de las suites de cifrado, las reglas de serialización, los métodos de hash-to-curve, la separación de dominios, las comprobaciones de subgrupos y el uso o no de pruebas de posesión.

Componentes clave de un esquema de firma BLS

Un esquema de firma BLS incluye la generación de claves, la firma, la verificación y la agregación.

La generación de claves crea el par de claves privada y pública.

La firma utiliza la clave privada para firmar un mensaje específico.

La verificación comprueba si una firma es válida para un mensaje y una clave pública.

La agregación combina varias firmas en una sola.

La verificación agregada comprueba si la firma combinada es válida para los mensajes y las claves públicas relacionados.

Muchas implementaciones reales también incluyen la validación de claves públicas, comprobaciones de subgrupos, identificadores de suites de cifrado, etiquetas de separación de dominios y protección frente a ataques de clave maliciosa.

Estos detalles pueden parecer técnicos, pero son esenciales para una infraestructura de criptomonedas segura.

Un pequeño error de implementación puede convertir un esquema de firma sólido en un sistema débil.

Esquemas BLS básico, aumentado y con prueba de posesión

El borrador CFRG sobre BLS describe distintas variantes del esquema para diferentes necesidades de seguridad y rendimiento.

El esquema básico es sencillo, pero requiere tratar con cuidado los casos en los que intervienen varias claves públicas.

El esquema aumentado incluye la clave pública en la entrada del mensaje firmado, lo que ayuda a proteger frente a algunos problemas relacionados con la agregación.

El esquema con prueba de posesión exige que el firmante demuestre que realmente controla la clave privada correspondiente a una clave pública antes de que esta se acepte para la agregación.

La prueba de posesión es importante porque la agregación BLS puede ser vulnerable a ataques de clave maliciosa si se aceptan claves públicas sin las comprobaciones adecuadas.

En un ataque de clave maliciosa, un participante malicioso puede elegir una clave pública que cancele o manipule matemáticamente la clave de otro participante.

Los sistemas seguros lo evitan validando las claves y exigiendo pruebas de que los usuarios conocen las claves privadas correspondientes.

Esto es especialmente importante para los validadores de blockchain, porque las identidades de los validadores y su poder de voto no deben poder falsificarse mediante una manipulación ingeniosa de claves públicas.

¿Qué es un ataque de clave maliciosa?

Un ataque de clave maliciosa es una amenaza que puede aparecer en sistemas multifirma o de firma agregada.

El atacante no necesariamente rompe la criptografía directamente.

En su lugar, registra una clave pública maliciosa relacionada con la clave pública de otra persona.

Si el protocolo no exige demostrar la titularidad de la clave privada, el atacante puede conseguir que una firma agregada parezca válida de forma fraudulenta.

Por eso, la validación de claves públicas y la prueba de posesión son fundamentales en muchos sistemas de criptomonedas basados en BLS.

Un diseño BLS sólido no se limita a comprobar la firma final.

También comprueba que cada clave pública sea válida, pertenezca al participante indicado y cumpla las reglas correctas de subgrupo y codificación.

Para los usuarios, la lección principal es sencilla: BLS es potente, pero debe implementarse con las medidas de seguridad adecuadas.

Firmas BLS frente a firmas digitales tradicionales

Las firmas digitales tradicionales, como ECDSA y las firmas de tipo Schnorr, pueden demostrar la titularidad de una clave privada y autorizar transacciones.

Las firmas BLS cumplen la misma función básica, pero añaden propiedades de agregación muy útiles.

Una firma BLS puede tardar más en verificarse individualmente que algunos esquemas de firma más sencillos, porque las operaciones de emparejamiento requieren muchos recursos computacionales.

Sin embargo, BLS puede resultar atractiva cuando es necesario combinar y verificar muchas firmas a la vez.

Esto crea un equilibrio entre el coste de la verificación individual y la eficiencia de la verificación agregada.

Para un único pago sencillo, BLS no siempre es la opción más evidente.

Para un comité de validadores o un sistema de firma de umbral, BLS puede ser muy útil porque permite representar muchas firmas de forma compacta.

Los protocolos cripto eligen los esquemas de firma según sus objetivos de diseño, no porque uno sea la mejor opción para todos los casos de uso.

Firmas BLS en sistemas multifirma

Un sistema multifirma requiere la aprobación de más de un firmante para autorizar una acción.

Por ejemplo, una wallet de tesorería puede exigir que varios miembros del equipo aprueben una transferencia.

Las firmas BLS pueden admitir diseños multifirma porque es posible combinar firmas procedentes de distintas claves privadas.

Esto puede hacer que la firma final sea más pequeña y fácil de verificar que si se almacenara cada aprobación por separado.

En algunos diseños, una multifirma BLS puede parecer una sola firma on-chain aunque la hayan aprobado muchas personas.

Esto puede mejorar la privacidad, reducir el tamaño de los datos y facilitar la gestión de políticas de autorización complejas.

Sin embargo, el sistema sigue necesitando un registro seguro de claves, pruebas de posesión, reglas de firma claras y protección frente a ataques de repetición.

Una firma compacta solo es útil si el diseño de la wallet o del protocolo que la rodea es seguro.

Firmas BLS en criptografía de umbral

La criptografía de umbral permite que un grupo controle conjuntamente una clave de firma.

Una regla de umbral puede exigir que tres de cinco miembros, diez de quince validadores u otro número mínimo de participantes creen una firma válida.

BLS funciona bien con algunos diseños de firma de umbral porque las firmas parciales pueden combinarse en una firma final.

Esto puede ayudar a los sistemas descentralizados a no depender de una única clave privada controlada por una sola persona o un solo servidor.

En la custodia cripto, la firma de umbral puede reducir los puntos únicos de fallo.

En la infraestructura blockchain, puede facilitar bridges, grupos de validadores, redes de oráculos y sistemas de gobernanza distribuida.

La principal ventaja es que ningún firmante tiene que controlar por sí solo toda la capacidad de firma.

El principal riesgo es la complejidad de los sistemas de umbral, que deben diseñarse, auditarse y gestionarse con cuidado.

Firmas BLS y bridges de blockchain

Los bridges de blockchain suelen necesitar que muchos participantes independientes confirmen que se ha producido un evento en una red antes de que se realice una acción relacionada en otra.

La agregación BLS puede ayudar a los operadores de bridges a comprimir muchas aprobaciones en una sola prueba.

Esto puede reducir la cantidad de datos que deben enviarse on-chain.

Un menor volumen de datos puede reducir los costes y mejorar la facilidad de uso, sobre todo cuando la red de destino cobra comisiones en función del procesamiento o el almacenamiento.

Sin embargo, una firma BLS no hace que un bridge sea seguro por sí sola.

El bridge sigue dependiendo de la selección de validadores, la gestión de claves, los controles contra el fraude, la supervisión, las reglas de actualización y la seguridad económica del grupo firmante.

BLS es una herramienta criptográfica, no un modelo de confianza completo.

Los usuarios siempre deben evaluar el diseño integral del bridge, en lugar de centrarse únicamente en el tipo de firma.

Firmas BLS y wallets de criptomonedas

La mayoría de las wallets de criptomonedas de uso cotidiano no requieren que los usuarios entiendan directamente las firmas BLS.

Normalmente, los usuarios solo ven una pantalla de aprobación, un hash de transacción o una página con el estado del validador.

En segundo plano, los validadores, los sistemas de custodia, la infraestructura de staking o las herramientas multifirma pueden utilizar BLS.

Una wallet que utilice firmas basadas en BLS debe proteger la clave privada con el mismo rigor que cualquier otra clave privada cripto.

Si roban la clave privada, un atacante podría firmar mensajes o participar en acciones del protocolo.

Si se pierde la clave privada, el firmante podría perder el acceso a sus derechos de firma o al control del validador.

Como BLS se utiliza a menudo en sistemas de validadores, una gestión deficiente de las claves puede provocar recompensas no recibidas, penalizaciones o fallos operativos.

La seguridad de una wallet sigue dependiendo de copias de seguridad sólidas, dispositivos seguros, protección frente al phishing y una revisión cuidadosa de las transacciones.

Ventajas de las firmas BLS

La principal ventaja de las firmas BLS es la agregación.

La agregación puede reducir los datos necesarios para representar muchas aprobaciones.

Esto ayuda a las redes blockchain a gestionar conjuntos numerosos de validadores con mayor eficiencia.

Las firmas BLS también son deterministas: la misma clave y el mismo mensaje producen un proceso de firma predecible, sin depender de un nuevo valor aleatorio durante la firma.

Esto puede reducir ciertos riesgos que surgen cuando una aleatoriedad deficiente compromete otros esquemas de firma.

A alto nivel, las firmas BLS también son relativamente sencillas, ya que la firma y la verificación siguen relaciones matemáticas claras.

Son útiles para sistemas multifirma y de umbral porque permiten combinar muchas contribuciones de firma.

En la infraestructura cripto, estas ventajas pueden favorecer la escalabilidad, la coordinación de validadores, las pruebas compactas y un diseño de protocolo más sencillo.

Limitaciones y riesgos de las firmas BLS

Las firmas BLS no son perfectas para todos los casos de uso cripto.

Las operaciones de emparejamiento pueden ser costosas en comparación con operaciones más sencillas de curvas elípticas.

Los detalles de implementación también son más complejos de lo que puede sugerir la idea básica.

Los desarrolladores deben gestionar correctamente las reglas de hash-to-curve, las comprobaciones de subgrupos, la serialización, la separación de dominios, la validación de claves y la lógica de prueba de posesión.

Si estos aspectos se implementan mal, el sistema puede aceptar claves no válidas, permitir ataques de repetición o no ofrecer la seguridad esperada.

Las firmas BLS también pueden generar riesgos operativos cuando los validadores utilizan claves activas (hot keys) que deben permanecer conectadas para firmar con regularidad.

Una hot key resulta práctica para la firma automatizada, pero está más expuesta que una clave almacenada completamente offline.

Por este motivo, los sistemas de validadores basados en BLS necesitan una sólida seguridad operativa, supervisión, protección frente al slashing y prácticas seguras de copia de seguridad.

¿Qué es la separación de dominios en BLS?

La separación de dominios es un método para garantizar que una firma creada con un propósito no pueda reutilizarse para otro.

En el ámbito cripto, los mismos bytes de un mensaje pueden aparecer en distintos contextos.

Sin separación de dominios, una firma destinada a una acción de un protocolo podría interpretarse como la aprobación de otra acción.

Los sistemas BLS suelen utilizar etiquetas de separación de dominios o identificadores de suites de cifrado para vincular las firmas a un caso de uso concreto.

Esto ayuda a evitar ataques de repetición y confusiones entre protocolos.

Por ejemplo, un voto de validador, un mensaje relacionado con una retirada y una aprobación de gobernanza no deberían compartir el mismo contexto de firma, salvo que el protocolo lo permita expresamente.

La separación de dominios es una de las razones por las que dos sistemas BLS que utilizan la misma curva pueden seguir siendo incompatibles.

La curva es solo una parte de la especificación completa de la firma.

¿Qué es hash-to-curve en BLS?

Hash-to-curve es el proceso de convertir un mensaje en un punto válido de una curva elíptica.

La firma BLS necesita este paso porque se crea a partir de un punto de la curva relacionado con el mensaje.

Una función hash normal produce bytes, pero BLS necesita un punto del grupo matemático correcto.

La conversión debe evitar sesgos, puntos no válidos y vulnerabilidades de canal lateral.

Por eso, las implementaciones modernas utilizan métodos de hash-to-curve especificados formalmente, en lugar de atajos personalizados.

El estándar de transformación hash a curvas elípticas es importante porque ofrece a los desarrolladores pautas más seguras para esta parte del proceso.

Para los usuarios, hash-to-curve es un proceso invisible, pero constituye uno de los detalles técnicos que hacen fiable la firma BLS.

Casos de uso habituales de las firmas BLS en cripto

Las firmas BLS se utilizan o se contemplan en muchos sistemas de criptomonedas que necesitan pruebas compactas de múltiples aprobaciones.

El consenso Proof of Stake puede utilizar la agregación BLS para recopilar eficientemente los votos de los validadores.

Los sistemas de staking pueden utilizar claves BLS para las tareas de firma de los validadores.

Los sistemas de custodia de umbral pueden recurrir a firmas de tipo BLS para reducir el riesgo asociado a una única clave.

Los protocolos de bridges pueden utilizar firmas agregadas para demostrar que un comité ha aprobado un evento entre cadenas.

Las redes de oráculos pueden utilizar firmas agregadas para confirmar informes de datos procedentes de varias fuentes.

Los sistemas de gobernanza descentralizada pueden utilizar firmas agregadas para comprimir las aprobaciones de muchos participantes.

Los sistemas Layer 2 pueden utilizar firmas BLS cuando necesitan una verificación por lotes eficiente o confirmaciones basadas en comités.

La idea común es que BLS resulta más útil a medida que aumenta el número de firmantes.

Cómo deben entender los usuarios las firmas BLS

Los usuarios de criptomonedas no necesitan calcular emparejamientos ni puntos de curvas elípticas para comprender el valor de BLS.

La idea práctica es que BLS permite convertir muchas firmas en una sola prueba.

Esto puede hacer más eficientes los sistemas de validadores y ayudar a las redes a escalar la comunicación de consenso.

Los usuarios también deben saber que una firma BLS solo es tan segura como el sistema que la rodea.

Las claves privadas deben protegerse.

Las claves públicas deben validarse.

Los mensajes deben definirse con claridad.

Las implementaciones deben ajustarse a la especificación correcta.

Los protocolos deben prevenir los ataques de repetición, los ataques de clave maliciosa y la agregación insegura.

Cuando se cumplen estas condiciones, las firmas BLS pueden ser una de las herramientas criptográficas más útiles de la infraestructura blockchain moderna.

Preguntas frecuentes

¿Qué significan las siglas BLS en una firma BLS?

BLS corresponde a Boneh, Lynn y Shacham, los investigadores que presentaron el esquema de firma corta.

¿Para qué se utiliza una firma BLS en cripto?

Una firma BLS se utiliza para demostrar la aprobación mediante una clave privada y para agregar muchas aprobaciones en una firma compacta.

¿Por qué son útiles las firmas BLS para las blockchains?

Las firmas BLS son útiles porque pueden reducir la cantidad de datos de firma que las blockchains necesitan almacenar, transmitir y verificar.

¿Qué es la agregación de firmas BLS?

La agregación de firmas BLS es el proceso de combinar varias firmas BLS en una sola firma que sigue pudiendo demostrar la participación de varios firmantes.

¿Una firma BLS es lo mismo que BLS12-381?

No. Una firma BLS es un esquema de firma, mientras que BLS12-381 es una curva elíptica compatible con emparejamientos que se utiliza a menudo para implementar firmas BLS.

¿Qué es un ataque de clave maliciosa en BLS?

Un ataque de clave maliciosa se produce cuando un firmante malicioso registra una clave pública manipulada para hacer que una firma agregada parezca válida de forma fraudulenta.

¿Cómo evitan los sistemas BLS los ataques de clave maliciosa?

Los sistemas BLS pueden prevenir estos ataques mediante la validación de claves públicas, las pruebas de posesión y reglas de agregación seguras.

¿Las firmas BLS son más rápidas que otras firmas?

Las firmas BLS no siempre son más rápidas para una sola firma, pero pueden ser más eficientes cuando se agregan y verifican muchas firmas a la vez.

¿Las firmas BLS protegen las claves privadas?

No. Las firmas BLS demuestran que una clave privada ha firmado un mensaje, pero los usuarios y los validadores deben seguir protegiendo la clave privada con prácticas de seguridad sólidas.

¿Por qué utilizan claves BLS los validadores?

Los validadores pueden utilizar claves BLS porque la agregación BLS ayuda a las redes a recopilar y verificar los votos de muchos validadores con menos datos.

Conclusión

Una firma BLS es un esquema de firma digital que desempeña un papel importante en la infraestructura moderna de las criptomonedas.

Su principal ventaja es la capacidad de agregar muchas firmas en una única prueba compacta.

Esto la hace especialmente útil para validadores Proof of Stake, sistemas multifirma, firma de umbral, bridges, redes de oráculos y otros sistemas cripto que dependen de numerosas aprobaciones independientes.

Las firmas BLS se basan en curvas elípticas compatibles con emparejamientos, métodos seguros de hash-to-curve, una validación cuidadosa de las claves públicas y una sólida separación de dominios.

Pueden reducir el tamaño de los datos y mejorar la eficiencia de los protocolos, pero deben implementarse con normas de seguridad estrictas.

Para los usuarios de criptomonedas, la idea principal es sencilla: una firma BLS ayuda a una blockchain a demostrar muchas firmas con menos datos.

Para desarrolladores y validadores, la lección es que BLS solo es potente cuando el sistema gestiona correctamente las claves, los mensajes, la agregación y la verificación.