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隨機數在區塊鏈中的應用和生成機制

來源: 巴比特 作者:
在人們的生活中,很多場景都需要用到隨機數,例如福利彩票,車牌搖號,公共用房分配等。互聯網的發展,讓人們對隨機數的運用越來越依賴中心化系統......
在人們的生活中,很多場景都需要用到隨機數,例如福利彩票,車牌搖號,公共用房分配等。互聯網的發展,讓人們對隨機數的運用越來越依賴中心化系統,但是絕大多數中心化系統,生成的隨機數都是偽隨機數,并且存在作弊的風險。

區塊鏈的出現,讓人們看到了生成更公平的隨機數的可能。而隨機數對于區塊鏈本身也有著非常重要的作用,那到底隨機數在區塊鏈中有哪些應用場景?區塊鏈又是如何產生更可靠的隨機數的呢?

隨機數在區塊鏈中的應用

私鑰


擁有加密貨幣的人都知道私鑰的重要性,誰擁有你的私鑰,誰就擁有了你的加密資產。私鑰的生成都需要依賴隨機數,所以能否保證隨機數的不可預測和破解,關系著加密資產的安全。

比特幣私鑰使用的是SHA-256生成的256位隨機數,這個隨機數的取值范圍是0~22??-1。2的256次方近似于10的77次方,這是一個取值范圍非常大的數,以現有的計算能力,想要暴力破解,幾乎不可能。

不能暴力破解,但是如果生成隨機數的隨機數生成器可以被操控,生成的隨機數可以被預測,那你的私鑰就有可能被解密,加密資產的安全就得不到保障了。

競猜類應用

在競猜應用里,需要使用隨機數,來保證結果的隨機性,避免人為干預,影響結果的公平性。

在中心化環境下,參與競猜的用戶需要向系統提交競猜訂單,系統根據規則收集用戶的信息,然后生成競猜結果。在整個過程中,客戶端不會參與競猜結果的計算,競猜結果本質上是由系統生成的一串隨機數。當出現巨大利益誘惑時,系統可能會作弊,讓自己從中得利。

在去中心化環境下,沒有唯一的中心,可以讓所有節點共同參與隨機數的生成,

可以有效的保證隨機數的公平性。但是在去中心化環境中,黑客可以更方便的對隨機數發起攻擊,從中獲得利益。到目前為止,區塊鏈隨機數的安全性仍然是一個需要突破的技術問題。

在2018年8月,曾火爆一時的Fomo3D游戲,就被黑客利用其隨機數漏洞,在游戲中獲得了巨額的利益。繼Fomo3D之后,EOS上的眾多熱門DAPP,尤其是競猜類游戲,如EOS.WIN、EOSDice等,也先后因隨機數生成的缺陷遭到了黑客攻擊。

POS共識機制

區塊鏈是一種去中心化的分布式記賬技術,在去中心化的環境里,要實現正確的記賬,隨機的選出記賬人,是非常關鍵的。因為只有在隨機的條件下,才能保證公平的分配記賬權,合理分配挖礦獎勵。

采用POW的共識機制,是通過算力競爭,計算一個非常有難度的哈希值,來隨機確定由誰來記賬。采用POS的共識機制,則需要通過隨機數,隨機選舉出一個節點來進行記賬。

大多數POS協議都會根據持有者的代幣數量,選出一組礦工和驗證者,共同完成對鏈上交易的驗證和出塊。為了能夠隨機的選出礦工和驗證者,保證公平分配獎勵,算法必須融入一些公平、無偏倚的隨機數源。所以在許多POS共識機制中,隨機數是一個非常關鍵的技術。

真隨機數和偽隨機數
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隨機數分為真隨機數和偽隨機數。真隨機數數列是完全不可預測的,只存在真實的物理世界中,例如放射性衰變、電子設備噪音、宇宙射線的觸發時間等,我們可以通過采集這些數據,獲得真隨機數數列。偽隨機數是通過獲得的真隨機數數列(通常稱作隨機數種子),使用隨機數算法計算得來的。只要獲得隨機數種子,就能得到相同的偽隨機數數列。

所以真隨機數只存在真實的物理世界中,計算機中的絕大多數隨機數都是偽隨機數。想保證偽隨機數的安全,就需要有效的隨機數種子和安全的隨機數生成器。

區塊鏈隨機數的生成方式
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區塊鏈是去中心化的系統,理論上,產生的隨機數比中心化系統會更公平,但是在去中心化環境里,如果有巨額利益,更容易遭到黑客攻擊,所以為了保證區塊鏈隨機數的安全性, 誕生了各種不同的隨機數生成機制。

VRF(可驗證隨機函數)

VRF(Verifiable Random Function,可驗證隨機函數)是一種可驗證的隨機數

生成方式。目前主要是基于POS共識算法的區塊鏈項目在使用,包括Algorand、Cardano。

在Algorand、Cardano中,VRF是產生隨機數的關鍵。VRF可以根據任意的一個輸入,輸出一個隨機數。在VRF中特別設計了一個非交互的零知識證明過程,可以用來驗證隨機數的正確性,以及某隨機數是由某節點生成的。

VRF中主要包含四個環節:

· 生成公私鑰對
· 生成隨機數輸出
· 計算零知識證明

· 驗證隨機數輸出

生成隨機數的節點將自己的私鑰,作為生成隨機數的輸入的一部分,然后在本地輸出隨機數和零知識證明。其他節點可以利用生成隨機數的節點的公鑰、輸入、輸出,驗證隨機數和生成者身份的真假。

得到隨機數之后,就需要用生成的隨機數來挑選參與出塊的節點。最簡單的方式是在全網設置一個公認的臨界值M,假設某個節點生成的隨機數R大于臨界值M,系統就允許節點參與下一步的出塊任務。但是這種方案沒有辦法防止女巫攻擊,所以現在大部分VRF抽簽方案都會基于權益進行票數分配,然后設計抽簽算法,完成后續的共識過程。

Randao

Randao基于區塊鏈技術,提供開源、去中心化、可證公平的隨機數生成服務。Randao的目標是滿足隨機數生成不可控制和不可預測的基本特性的同時,使個體可以參與隨機數的生成,保證隨機數具備可參與性,利用區塊鏈透明和不可逆的特點,保證結果的可證公平性。

Randao主要采用了Commit Reveal和BLS。 Commit Reveal其缺點主要是生成隨機數的速度較慢。在以太坊中,從接到隨機數生成請求,到生成隨機數,至少需要 10 個塊以上的時間,目前耗時在 3 分鐘以上;因為需要參與者多次發送交易提交數據,其生產和使用成本較高。但該方案的優勢在于,其參與門檻基本為零,任何人都可以隨時加入一個隨機數的生成過程,在防止串謀和可證公平方面擁有一定優勢。

BLS 簽名方案是對Commit Reveal的一種補充,因為生成過程在鏈外組織,響應速度快,通常只需要一個區塊的時間就能生成隨機數;消費者發起隨機數生成請求,生產者在下一個塊寫入隨機數,只需要發送兩次交易就可以完成隨機數的生成和調用,生產和使用成本都很低,適合用于高頻,同時對防串謀要求不高的場景。

閾值簽名機制(Threshold Signature Scheme)

Dfinity是一個公鏈項目,目標是成為“互聯網電腦”,實現軟件和服務在其公有云的運轉。在Dfinity中,隨機數是整個共識機制正常運轉的核心,其采用的閾值簽名機制結合了VRF和BLS簽名機制,是生成隨機數的一種有效方式。

閾值簽名機制主要由三部分組成:輸入、輸出、閾值機制。輸入是一組成員的私鑰,輸出是一個隨機數。閾值機制能夠保證的是,只要接收來自成員的輸入數量超過設定值,就可以得到一個確定的隨機數,但是在得到小于設定值的輸入數量前,沒有人能夠預測輸出的隨機數是多少。輸出隨機數的過程中使用了VRF,閾值機制中使用了BLS簽名機制。

閾值簽名機制結合了VRF和BLS,VRF使其生成的隨機數具備了可驗證性,BLS簽名機制使簽名過程中,沒有節點可以提前預知簽名結果,實現了隨機數的不可操控性,并且很難串謀,是一種不錯的隨機數生成機制。

NULSRNG

NULSRNG是全球開源社區項目NULS,根據其POC(Proof of Credit)共識算法,專門為DAPP設計的隨機數種子生成機制。

NULSRNG的實現方式是基于POC共識的兩段式隨機種子提交生成機制。即每個節點在出塊的同時生成一個隨機種子,并對該隨機種子進行加密處理,將生成的密文包含在區塊頭中,同時獲取該節點上次出塊時生成的256位隨機種子明文。結合區塊頭中的明文和密文,就可以對節點生成的隨機數種子進行驗證,確保不可篡改。

NULSRNG基于底層共識實現,由全部共識節點參與,這樣的方式增加了節點串謀的難度,采用種子密文和明文兩段式提交的方式,能夠實現種子可驗證和不可篡改。

在NULS上開發的DAPP,可以直接利用底層提供的接口,獲取隨機種子,然后采用自己的隨機算法,生成需要的隨機數數列,不僅可以提高隨機數的安全性,同時使用上也可以做到靈活方便。

結語
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1、在區塊鏈中,隨機數有著非常多的應用場景,隨著區塊鏈技術的不斷發展和完善,人們對區塊鏈隨機數的應用將會不斷增加;
2、在區塊鏈領域中,目前已經有許多不同的隨機數生成機制,它們都有著各自的特點;
3、意識到隨機數的重要性,越來越多的技術團隊和項目方,開始研究更好的隨機數生成機制,未來將會有更多完善的區塊鏈隨機數生成機制產生。

作者簡介:

黃連金
著名區塊鏈專家,核聚鏈首席科學家、美國 DistributedApps CEO、中國電子學會區塊鏈分會專家委員、NULS顧問。

向文波
Java軟件工程師,Cryptotech-Writer,NULS Core Team成員。專注于區塊鏈技術研究和區塊鏈解決方案。

關鍵詞: 隨機數  區塊應用  區塊鏈技術  
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