💻 computer science

Wonderboom -- Efficient, and Censorship-Resilient Signature Aggregation for Million Scale Consensus

Dit artikel introduceert Wonderboom, een nieuw protocol voor het aggregeren van handtekeningen dat Ethereum in staat stelt blokken 32 keer sneller te finaliseren door efficiënt meer dan 2 miljoen validatorhandtekeningen binnen één slot te aggregeren, terwijl tegelijkertijd de beveiliging tegen vijandelijke aanvallen en censuur wordt versterkt.

Oorspronkelijke auteurs: Zeta Avarikioti, Ray Neiheiser, Krzysztof Pietrzak, Michelle X. Yeo

Gepubliceerd 2026-05-19

📖 5 min leestijd🧠 Diepgaand

CC BY 4.0

Oorspronkelijke auteurs: Zeta Avarikioti, Ray Neiheiser, Krzysztof Pietrzak, Michelle X. Yeo

Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer

Het Grote Probleem: Een File bij 's Werelds Grootste Bank

Stel je Ethereum voor als een enorme, wereldwijde bank die meer dan 650 miljard dollar aan spaargeld van mensen bewaart. Het is zo groot en veilig dat het meer waard is dan de aandelenbeurzen van Singapore, Mexico en Thailand samen.

Om deze bank veilig te houden, vertrouwt het op 1 miljoen onafhankelijke bewakers (zogenaamde "validators"). Deze bewakers moeten allemaal een handtekening zetten onder elke transactie om deze officieel te maken.

De Huidige Knelpunt:
Op dit moment duurt het eeuwig voordat alle 1 miljoen bewakers een enkel document hebben ondertekend.

Het Proces: De bewakers zijn opgesplitst in kleine groepen. Elke groep tekent, geeft vervolgens hun handtekening door aan een grotere groep, die het weer doorgeeft aan een nog grotere groep, net als een spelletje "telefoon".
Het Resultaat: Omdat er zo veel mensen zijn en het "telefoon"-spel tijd kost (door internetvertragingen), duurt het ongeveer 15 minuten voordat een transactie als "definitief" (veilig en onveranderlijk) wordt beschouwd.
Het Risico: In die 15 minuten kan een slechte actor (een hacker of een hebzuchtige groep) proberen om eerlijke bewakers te blokkeren van het tekenen. Als ze dit vaak genoeg slagen, kunnen ze beloningen stelen die bedoeld zijn voor eerlijke bewakers, en langzaam de controle over de bank overnemen.

De Oplossing: WONDERBOOM

De auteurs van dit papier hebben een nieuw systeem gebouwd dat WONDERBOOM heet. Denk hierbij aan een super-efficiënte, hoogwaardige assemblagelijn die alle 1 miljoen bewakers in minder dan 15 seconden (specifiek, twee "slots" tijd) een document kan laten ondertekenen, terwijl het veel moeilijker wordt voor slechte actoren om te bedriegen.

Hier is hoe het werkt, met eenvoudige metaforen:

1. Het "Twee-Persoons" Bewakerssysteem (Scheiding van Rollen)

In het huidige systeem draagt elke bewaker twee hoeden: ze stemmen over transacties en ze kondigen de resultaten aan. Dit maakt het voor hackers makkelijk om uit te zoeken wie wie is en hen aan te vallen.

De Oplossing van WONDERBOOM:
Stel je voor dat je de bewaker splitst in twee personen:

De Stemmer: Blijft in een beveiligde, privé kamer (met een directe telefoonlijn) om te stemmen. Niemand buiten kan hen zien.
De Bode: Staat buiten op het openbare plein (het "roddelnetwerk") om de uiteindelijke resultaten te schreeuwen.
Omdat de Bode zelden met het publiek praat, is het voor hackers zeer moeilijk om hen te vinden en aan te vallen. Dit houdt het stemproces snel en privé.

2. De "Boom" in plaats van een "Lijn"

Momenteel bewegen handtekeningen zich in een trage, diepe keten (zoals een lange rij mensen die een emmer water doorgeven). Als één persoon de emmer laat vallen, stopt de hele rij.

De Oplossing van WONDERBOOM:
Ze organiseren de 1 miljoen bewakers in een gigantische boomstructuur.

In plaats van een bericht één voor één door te geven, geven kleine groepen bewakers hun handtekeningen door aan een "tak", die het doorgeeft aan een "stam", die het doorgeeft aan de "top".
Omdat de boom breed en ondiep is, reist het bericht veel sneller omhoog.
De Magische Truc: Om te voorkomen dat slechte actoren de "grootste" groep handtekeningen blokkeren, kiest het systeem willekeurig een tweede groep om ook op te nemen. Het is alsof je zegt: "We accepteren de grootste stapel handtekeningen, maar we grijpen ook willekeurig een handvol uit een andere stapel." Dit maakt het bijna onmogelijk voor een slechte actor om iedereen tegelijk te blokkeren.

3. Het "Beloningsvenster" (Bedriegers Stoppen)

In het oude systeem, als een bewaker zijn beurt om te tekenen slechts één keer miste, verloor hij zijn beloning. Dit maakte het systeem zeer gevoelig voor censuur.

De Oplossing van WONDERBOOM:
Ze hebben de regels veranderd naar een "Wekelijkse Pas" systeem.

In plaats van elke dag te hoeven tekenen, hoeft een bewaker slechts minimaal één keer te tekenen binnen een venster van 64 dagen om betaald te krijgen voor die hele maand.
Zelfs als een slechte actor een bewaker een paar dagen blokkeert, kan de bewaker nog steeds zijn beloning krijgen zolang hij maar een handtekening plaatst voordat het venster sluit.
Dit maakt het wiskundig onmogelijk voor slechte actoren om langzaam al het geld te stelen door mensen te blokkeren, omdat het "venster" zo breed is dat ze niet iedereen voor altijd kunnen blokkeren.

Wat het Papier Bewees

De auteurs hebben niet alleen een theorie geschreven; ze bouwden een simulator (een videospel van de blockchain) om dit te testen met 1 miljoen tot 2,5 miljoen nep-bewakers.

Snelheid: Ze toonden aan dat WONDERBOOM alle 1 miljoen handtekeningen kan verwerken in 4 seconden (op standaard computerhardware), vergeleken met de huidige wachttijd van 15 minuten. Dat is 32 keer sneller.
Veiligheid: Ze bewezen dat zelfs als 1/3 van de bewakers slechte actoren zijn die proberen het systeem te censureren, WONDERBOOM veel moeilijker te breken is dan het huidige Ethereum-systeem.
Schalbaarheid: Het werkt zelfs als het aantal bewakers groeit tot 2 miljoen, zonder dat er supercomputers nodig zijn.

De Conclusie

WONDERBOOM is een nieuwe manier om een enorme menigte mensen te organiseren zodat ze bijna onmiddellijk overeenstemming kunnen bereiken over een beslissing. Het lost het "file"-probleem van Ethereum op door:

De stemmers te verbergen om hen te beschermen tegen aanvallen.
Een boomstructuur te gebruiken om informatie sneller te verplaatsen.
Mensen een bredere tijdspanne te geven om beloningen te verdienen, waardoor het voor slechte actoren moeilijk wordt om het systeem te bedriegen.

Het papier concludeert dat we een blockchain kunnen hebben die zowel massaal gedecentraliseerd is (miljoenen gebruikers) als onmiddellijk snel, zonder in te leveren op veiligheid.

Technische Samenvatting: WONDERBOOM

Probleemstelling

Ethereum heeft zich ontwikkeld tot een kritieke mondiale financiële infrastructuur die meer dan 650 miljard dollar aan activa beveiligd, maar de huidige consensusmechanisme staat voor aanzienlijke schaalbaarheids- en veiligheidsknelpunten als gevolg van de omvang van de validatorset (die bijna één miljoen nadert). De belangrijkste geïdentificeerde beperkingen zijn:

Trage Finaliteit: Het protocol vereist momenteel ongeveer 15 minuten om een blok te finaliseren. Deze latentiteit vloeit voort uit de hoge rekenkundige en bandbreedtekosten van het aggregeren en verifiëren van handtekeningen over miljoenen validators. Het huidige ontwerp partitioneert validators in commissies en maakt gebruik van een hiërarchisch boomaggregatieprotocol dat zich uitstrekt over meerdere epochs (32 slots per epoch), waarbij twee opeenvolgende epochs nodig zijn voor finaliteit.
Censuurkwetsbaarheden: Het bestaande aggregatieprotocol is vatbaar voor censuraanvallen die de stakeverdeling kunnen verschuiven van eerlijke naar adversariële knopen.
- Proposer-censuur: Adversarissen kunnen proposers via het gossipnetwerk de-anonimiseren en hun blokken censureren, wat leidt tot beloningsverlies voor eerlijke validators.
- Stem-censuur: Het huidige protocol vertrouwt op commissievertegenwoordigers. Het artikel betoogt dat de kans dat een commissie geen eerlijke vertegenwoordigers heeft (alle 16 geselecteerde vertegenwoordigers zijn Byzantijns) aanzienlijk hoger is dan eerder berekende metrieken suggereerden. Dit stelt adversarissen in staat om stemmen te censureren, wat leidt tot geaggregeerde beloningsverliezen die op jaarbasis op meer dan 100 miljoen dollar worden geraamd.
- Inefficiënte Aggregatie: De afhankelijkheid van het gossipnetwerk voor berichtpropagatie introduceert inherente latentiteit (ongeveer 4 seconden om 98% van de knopen te bereiken), wat de diepte van aggregatiebomen beperkt die binnen een enkele 12-seconden slot kunnen worden geconstrueerd.

Methodologie

De auteurs stellen WONDERBOOM voor, een boomgebaseerd handtekeningaggregatieprotocol dat is ontworpen om handtekeningen van alle $N$ validators binnen een enkele Ethereum-slot (12 seconden) te aggregeren, waardoor finaliteit binnen twee slots (ongeveer 24 seconden) mogelijk wordt. De methodologie rust op drie kernarchitecturale en algoritmische innovaties:

1. Architecturale Scheiding (Validator versus Proposer)

Om proposer-censuur en de-anonimisering te mitigeren, scheidt WONDERBOOM het Validator-proces fysiek van het Proposer-proces en wijst ze verschillende IP-adressen toe.

Validator-proces: Communiceert via point-to-point (P2P)-kanalen met andere validators voor aggregatie. Dit omzeilt het hoge-latentie gossipnetwerk voor het grootste deel van het consensusverkeer.
Proposer-proces: Interageert alleen met het gossipnetwerk voor blokuitzending en het ontvangen van finale aggregaten. De zeldzaamheid van deze interactie maakt de-anonimisering aanzienlijk moeilijker.

2. Diepe Boomaggregatie met Geautomatiseerde Selectie

WONDERBOOM construeert een diepe aggregatieboom waarbij elke knoop een commissie van 128 validators vertegenwoordigt (met 16 willekeurige vertegenwoordigers).

Structuur: In tegenstelling tot de ondiepe boom van Ethereum, aggregeert WONDERBOOM alle $N$ handtekeningen elke slot.
Regel voor Censuurmitigatie: Om te voorkomen dat kwaadaardige aggregators altijd het grootste (potentieel gecensureerde) aggraat doorgeven, verplicht het protocol dat het grootste aggraat wordt gecombineerd met één uniform willekeurig aggraat van de kindcommissies. Dit zorgt ervoor dat, zelfs als een kwaadaardige knoop het grootste aggraat controleert, eerlijke stemmen een niet-nul kans hebben om te worden opgenomen.

3. Beloningsallocatie en Censuurweerstand

Het artikel introduceert een formele definitie van Stem-censuurweerstand ( $\alpha$ -weerstand), gedefinieerd als de kans dat een validator niet wordt gecensureerd gedurende $k$ opeenvolgende slots.

Gefensterde Beloningen: Validators verdienen beloningen voor een $k$ -slotvenster als hun stem ten minste één keer binnen dat venster is opgenomen. Dit verlaagt de vereiste opnamekans per slot, terwijl het langdurige stake-drift wordt voorkomen.
Optimalisatie van Publieke Sleutels: Door gebruik te maken van het hoge participatiepercentage van Ethereum (>99%), cacheert het protocol het aggraat van alle publieke sleutels en gebruikt het BLS-handtekeningsubtractie om ontbrekende sleutels te verwijderen, waardoor de kosten voor het aggregeren van publieke sleutels met tot 99% worden verlaagd.

Belangrijkste Bijdragen

WONDERBOOM-protocol: Het eerste aggregatieprotocol dat efficiënt miljoenen handtekeningen in een enkele slot kan aggregeren, terwijl het sterkere garanties voor censuurweerstand biedt dan het state-of-the-art Ethereum-protocol.
Theoretische Analyse van Censuur: Een rigoureuze analyse die aantoont dat de stem-censuurweerstand van het huidige Ethereum-protocol wordt overschat. Het artikel toont aan dat WONDERBOOM vergelijkbare of superieure weerstand bereikt met een veel kleinere veiligheidsparameter $k$ (bijvoorbeeld $k=64$ in WONDERBOOM versus $k=192$ vereist voor Ethereum om vergelijkbare weerstand te bereiken).
Simulatiekader: De ontwikkeling van de eerste simulatietool die Byzantijnse fouttolerante handtekeningaggregatie op schaal van één miljoen validators kan modelleren, inclusief worst-case scenario's (bijvoorbeeld $N/3$ defecte knopen).
Prestatie-evaluatie: Empirisch bewijs dat aantoont dat WONDERBOOM handtekeningen voor tot 2,5 miljoen knopen binnen een enkele slot kan aggregeren op verouderde hardware, mits point-to-point communicatie wordt gebruikt.

Resultaten

De auteurs hebben WONDERBOOM geëvalueerd met hun simulatietool op een systeem dat tot 2,5 miljoen knopen emuleerde met een netwerklatentiteit van 100 ms.

Latentie en Schaalbaarheid:
- Voor de huidige Ethereum-validatorset (~1 miljoen) aggregeert WONDERBOOM alle handtekeningen in minder dan 4 seconden met slechts 4 CPU-kernen.
- Voor 2 miljoen knopen blijft de aggregatie onder de 4 seconden met 8 kernen.
- Zelfs bij 2,5 miljoen knopen blijft het protocol haalbaar, hoewel het in worst-case scenario's lichtjes de 4-secondenbegroting overschrijdt.
Vergelijking met Ethereum:
- WONDERBOOM is ongeveer 3x sneller dan het huidige Ethereum-aggregatieprotocol wanneer beide point-to-point-kanalen gebruiken.
- Wanneer rekening wordt gehouden met de huidige afhankelijkheid van Ethereum van het gossipnetwerk (wat ongeveer 4 seconden latentiteit toevoegt), is WONDERBOOM in de praktijk >32x sneller.
Censuurweerstand:
- Onder een langzaam adaptieve adversary bereikt WONDERBOOM een kans van 99,8% dat geen enkele knoop consistent wordt gecensureerd over twee epochs ( $k=64$ ).
- Daarentegen zou het huidige Ethereum-ontwerp onder dezelfde voorwaarden slechts een kans van 88,9% garanderen, waarbij een venster van 6 epochs nodig is om de weerstand van WONDERBOOM te evenaren.

Betekenis

Het artikel beweert dat WONDERBOOM aantoont dat snelle finaliteit en sterke opnamegaranties compatibel zijn met consensus met één miljoen validators.

Decentralisatie Behouden: In tegenstelling tot benaderingen die de validatorset verkleinen of supercommissies gebruiken (wat de economische veiligheid ondermijnt), aggregeert WONDERBOOM handtekeningen van alle validators, waardoor de volledige economische veiligheid van het netwerk behouden blijft.
Economische Veiligheid: Door stemcensuur te mitigeren, voorkomt het protocol de systematische herverdeling van stake van eerlijke naar adversariële knopen, een kritieke factor voor de langetermijnveiligheid van het netwerk.
Praktische Implementeerbaarheid: Het protocol is modulair ontworpen en kan met minimale wijzigingen worden geïntegreerd in bestaande systemen zoals Ethereum, waarbij het gebruikmaakt van standaard cryptografische primitieven (BLS-handtekeningen) en bestaande hardwarecapaciteiten.

De auteurs concluderen dat, hoewel volledig adaptieve adversaries een theoretische uitdaging blijven voor protocols met één proposer, WONDERBOOM een robuuste oplossing biedt tegen langzaam adaptieve adversaries, waarmee de belangrijkste knelpunten worden aangepakt die Ethereum ervan weerhouden finaliteit binnen één slot op schaal te bereiken.