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

本文介绍了 Wonderboom，这是一种新颖的签名聚合协议，它通过在单个时隙内高效聚合超过 200 万验证者签名，使以太坊的区块确认速度提升 32 倍，同时增强了对抗攻击和审查的安全性。

原作者： Zeta Avarikioti, Ray Neiheiser, Krzysztof Pietrzak, Michelle X. Yeo

发布于 2026-05-19

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原作者： Zeta Avarikioti, Ray Neiheiser, Krzysztof Pietrzak, Michelle X. Yeo

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

以下是WONDERBOOM论文的通俗解释，辅以日常类比。

核心难题：全球最大银行的交通堵塞

想象以太坊是一家巨大的全球银行，保管着超过 6500 亿美元的个人储蓄。它如此庞大且安全，其价值甚至超过了新加坡、墨西哥和泰国证券交易所的总和。

为了保障这家银行的安全，它依赖100 万名独立守卫（称为“验证者”）。这些守卫必须对每一笔交易进行签署，使其生效。

当前的瓶颈：
目前，要让这 100 万名守卫签署同一份文件，需要耗费极长的时间。

流程： 守卫被分成小组。每个小组签署后，将签名传递给更大的组，再传递给更大的组，就像玩“传话”游戏一样层层递进。
结果： 由于人数众多且“传话”游戏耗时（受网络延迟影响），一笔交易需要大约15 分钟才能被视为“最终确认”（安全且不可更改）。
风险： 在这 15 分钟内，恶意行为者（黑客或贪婪的团体）可能试图阻止诚实的守卫签署。如果他们频繁得手，就能窃取本应属于诚实守卫的奖励，逐步夺取银行的控制权。

解决方案：WONDERBOOM

这篇论文的作者构建了一个名为WONDERBOOM的新系统。你可以把它想象成一条超高效的高速流水线，能让所有 100 万名守卫在15 秒内（具体为两个“时隙”）完成文件签署，同时大大增加恶意行为者作弊的难度。

以下是其工作原理的简单比喻：

1. “双人”守卫系统（角色分离）

在现有系统中，每个守卫身兼两职：他们既投票决定交易，又宣布结果。这使得黑客很容易识别出谁是谁，从而发动攻击。

WONDERBOOM 的改进：
想象将一名守卫拆分为两个人：

投票者： 待在安全、私密的房间里（使用专线）进行投票。外部无人能看见他们。
信使： 站在公共广场（“流言网络”）上大声喊出最终结果。
由于信使很少与公众交流，黑客很难找到并攻击他们。这既保持了投票过程的速度，又确保了隐私。

2. 用“树”代替“线”

目前，签名的传递是一条缓慢且冗长的链条（就像一排人传递水桶）。如果一个人掉了水桶，整条线就会停滞。

WONDERBOOM 的改进：
他们将 100 万名守卫组织成一个巨大的树状结构。

不再是逐个传递消息，而是由小群守卫将签名传递给“树枝”，树枝再传给“树干”，最后传给“树顶”。
因为树形结构宽阔且浅层，消息向上流动的速度快得多。
魔法技巧： 为了防止恶意行为者阻挡“最大”的那组签名，系统会随机挑选第二组签名一并纳入。这就像说：“我们将接受最大的一堆签名，但也会从另一堆中随机抓取一把。”这使得恶意行为者几乎不可能同时阻挡所有人。

3. “奖励窗口”（阻止作弊者）

在旧系统中，如果守卫错过一次签署机会，就会失去奖励。这使得系统对审查极其敏感。

WONDERBOOM 的改进：
他们将规则改为**“周票”系统**（实际上是 64 天窗口）。

守卫不再需要每天签署，只要在 64 天的时间窗口内至少签署一次，就能获得整个周期的奖励。
即使恶意行为者阻挡了守卫几天，只要守卫在窗口关闭前补上签名，依然能获得奖励。
这使得恶意行为者试图通过阻挡他人来慢慢窃取所有资金在数学上变得不可能，因为“窗口”足够宽，他们无法永远阻挡所有人。

论文证明了什么

作者不仅提出了理论，还构建了一个模拟器（区块链的“视频游戏”），用 100 万到 250 万个虚拟守卫进行了测试。

速度： 他们证明，WONDERBOOM 可以在标准计算机硬件上，用4 秒处理完所有 100 万个签名，而目前需要等待 15 分钟。速度提升了32 倍。
安全性： 他们证明，即使有 1/3 的守卫是试图审查系统的恶意行为者，WONDERBOOM 也比当前的以太坊系统更难被攻破。
可扩展性： 即使守卫数量增长到 200 万，该系统也能运行，无需超级计算机。

核心结论

WONDERBOOM是一种组织庞大人群的新方法，让他们能几乎瞬间就某项决策达成一致。它通过以下方式解决了以太坊的“交通堵塞”问题：

隐藏投票者，保护他们免受攻击。
利用树状结构加速信息传递。
提供更宽的时间窗口让人们赚取奖励，使恶意行为者难以作弊。

论文结论指出，我们可以拥有一条既高度去中心化（拥有数百万用户）又瞬间快速的区块链，而无需牺牲安全性。

技术摘要：WONDERBOOM

问题陈述

以太坊已演变为保障超过 6500 亿美元资产的关键全球金融基础设施，然而，由于其验证者集合规模（接近一百万）的限制，其当前的共识机制面临着显著的可扩展性和安全性瓶颈。 identified 的主要局限性包括：

最终性缓慢：该协议目前需要大约 15 分钟才能最终确定一个区块。这种延迟源于在数百万验证者之间聚合和验证签名的高计算成本和带宽成本。当前的设计将验证者划分为委员会，并利用跨越多个 epoch（每个 epoch 32 个时隙）的分层树聚合协议，需要两个连续的 epoch 才能实现最终性。
审查漏洞：现有的聚合协议容易受到审查攻击，这些攻击可以将权益分布从诚实节点转移到对抗节点。
- 提议者审查：攻击者可以通过 gossip 网络去匿名化提议者并审查其区块，导致诚实验证者的奖励损失。
- 投票审查：当前协议依赖委员会代表。论文指出，一个委员会没有诚实代表（所有 16 个被选代表均为拜占庭节点）的概率，显著高于先前计算的指标所暗示的概率。这使得攻击者能够审查投票，导致估计每年超过 1 亿美元的聚合奖励损失。
- 低效聚合：依赖 gossip 网络进行消息传播引入了固有的延迟（约 4 秒到达 98% 的节点），限制了在单个 12 秒时隙内可构建的聚合树深度。

方法论

作者提出了WONDERBOOM，这是一种基于树的签名聚合协议，旨在在一个以太坊时隙（12 秒）内聚合来自所有 $N$ 个验证者的签名，从而实现双时隙最终性（约 24 秒）。该方法依赖于三个核心架构和算法创新：

1. 架构分离（验证者 vs. 提议者）

为了减轻提议者审查和去匿名化风险，WONDERBOOM 在物理上将验证者进程与提议者进程分离，并为其分配不同的 IP 地址。

验证者进程：通过点对点（P2P）通道与其他验证者通信以进行聚合。这绕过了 gossip 网络，避免了大部分共识流量的延迟。
提议者进程：仅通过 gossip 网络进行区块广播和接收最终聚合结果。这种交互的低频特性使得去匿名化变得显著困难。

2. 深度树聚合与随机选择

WONDERBOOM 构建了一个深度聚合树，其中每个节点代表一个由 128 个验证者组成的委员会（包含 16 个随机代表）。

结构：与以太坊的浅层树不同，WONDERBOOM 在每个时隙聚合所有 $N$ 个签名。
审查缓解规则：为了防止恶意聚合器总是转发最大的（可能是被审查的）聚合结果，协议规定必须将最大的聚合结果与来自子委员会的一个均匀随机聚合结果进行组合。这确保了即使恶意节点控制了最大的聚合结果，诚实投票仍具有非零的被包含概率。

3. 奖励分配与审查弹性

论文引入了投票审查弹性（ $\alpha$ -弹性）的形式化定义，定义为验证者在 $k$ 个连续时隙内未被审查的概率。

窗口化奖励：如果验证者的投票在 $k$ 个时隙的窗口内至少被包含一次，则该验证者获得该窗口的奖励。这降低了单个时隙的包含概率要求，同时防止了长期的权益偏移。
公钥优化：利用以太坊的高参与率（>99%），该协议缓存所有公钥的聚合结果，并使用 BLS 签名减法移除缺失的密钥，将公钥聚合成本降低了高达 99%。

主要贡献

WONDERBOOM 协议：首个能够在单个时隙内高效聚合数百万签名，同时提供比最先进以太坊协议更强审查弹性保证的聚合协议。
审查的理论分析：一项严谨的分析表明，当前以太坊协议的投票审查弹性被高估了。论文证明，WONDERBOOM 在更小的安全参数 $k$ 下实现了相当或更优的弹性（例如，WONDERBOOM 中 $k=64$ ，而以太坊需要 $k=192$ 才能达到类似的弹性）。
模拟框架：开发了首个能够在百万验证者规模上模拟拜占庭容错签名聚合的模拟工具，包括最坏情况场景（例如 $N/3$ 的故障节点）。
性能评估：实证证据表明，在遗留硬件上，只要使用点对点通信，WONDERBOOM 可以在单个时隙内聚合多达 250 万个节点的签名。

结果

作者使用其模拟工具在模拟高达 250 万个节点且网络延迟为 100 毫秒的系统上评估了 WONDERBOOM。

延迟与可扩展性：
- 对于当前的以太坊验证者集合（约 100 万），WONDERBOOM 仅使用 4 个 CPU 核心即可在 4 秒内聚合所有签名。
- 对于 200 万个节点，使用 8 个核心时，聚合时间仍保持在 4 秒以内。
- 即使在 250 万个节点的情况下，该协议仍然可行，尽管在最坏情况下会略微超过 4 秒的预算。
与以太坊的比较：
- 当两者都利用点对点通道时，WONDERBOOM 比当前的以太坊聚合协议快约3 倍。
- 考虑到当前以太坊对 gossip 网络的依赖（增加了约 4 秒的延迟），WONDERBOOM 在实际应用中快32 倍以上。
审查弹性：
- 在缓慢自适应攻击者下，WONDERBOOM 实现了 99.8% 的概率，确保在两个 epoch 内（ $k=64$ ）没有任何节点被持续审查。
- 相比之下，在相同条件下，当前的以太坊设计仅能保证 88.9% 的概率，需要 6 个 epoch 的窗口才能达到 WONDERBOOM 的弹性水平。

意义

论文声称，WONDERBOOM 证明了快速最终性和强包含保证与百万级验证者共识是兼容的。

保持去中心化：与减少验证者集合或使用超级委员会（这会损害经济安全性）的方法不同，WONDERBOOM 聚合来自所有验证者的签名，保持了网络完整的经济安全性。
经济安全性：通过缓解投票审查，该协议防止了权益从诚实节点向对抗节点的系统性重新分配，这是长期网络安全的关键因素。
实际可部署性：该协议设计为模块化，可以最小化更改集成到现有系统（如以太坊）中，利用标准密码学原语（BLS 签名）和现有的硬件能力。

作者总结道，虽然完全自适应的攻击者仍然是单提议者协议的理论挑战，但 WONDERBOOM 为对抗缓慢自适应攻击者提供了稳健的解决方案，解决了阻碍以太坊在大规模上实现单时隙最终性的主要瓶颈。