作者：BlockPunk

前言

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假隨機數

我們可以從物理現像中得到神秘而無窮的隨機性，但有些現象並不能精確量化。但同時我們需要巨量的隨機數來加密數據、訓練模型、公平仲裁，僅依靠自然界的隨機數是遠遠不夠的。

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這被稱為平方取中法，這也只是無數假隨機數算法中的一種，這個算法輸出的序列，只取決於最初種子的隨機性。由於機器的確定性，同樣的種子，就可以計算出同樣的隨機數。

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種子的位數決定了隨機數的隨機度，當你設定一個兩位的種子生成一個10位隨機數，在函數產生重複循環之前，最多只能得到100個可用的隨機數；而在自然界中， 10位隨機數應該存在一百億種可能。這兩者之間巨大的數量級差別，就是隨機數真與假的區別。

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假隨機數存在規律的周期，點集中表現為脈絡

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區塊鍊為什麼需要隨機數

總結

總結

• 在傳統互聯網中，隨機數是作為密碼學與隱私安全的基礎，通過共享隨機的密鑰，兩個節點間就可以進行加密的私人通訊，而在區塊鏈中，就是使用私鑰密鑰傳輸財產；同時隨機數還廣泛應用於有限帶寬下的多節點通訊，可以利用隨機數來決定數據發送的合理順序，來協調多方節點，在區塊鏈上，就是利用基於隨機數的共識算法，協調交易確認者，保證一段時間內大家只對部分節點的消息進行反饋更新，從而在網絡消息數有限的情況下獲得一致。

• 總結

• 公平的決定出塊權力，維持一致性共識。部分PoW與PoS機制下，依靠隨機數選定出塊者或者出塊組的，包括DPoS機制下的循環出塊的順序，也是依靠隨機數決定。

• 一級標題

鏈上應用的隨機數源。保證博彩、遊戲、抽獎、分發、調查等應用的公平公正，此類容易被黑客攻擊。

鏈上隨機數的難點

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雖然區塊鏈還是基於過去的互聯網技術，但是在隨機數生成部分卻有著非常大區別。

傳統的隨機數產生方式是中心化的，產出的隨機數，與特定機器的狀態值、物理狀態相關，而同一個隨機數算法，在不同的節點上得到的隨機數是不同的，並且也沒法針對每一個隨機數進行驗證，因此傳統的方式無法產生一致性的隨機性，這和區塊鏈不兼容。

二級標題

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• 鏈上隨機數的原則

1.不可預測

因為隨機數決定著整個協議層包括所有以上層級的公正性，如果這個隨機數是能提前預見的，那麼就可以伺機發動攻擊。當然這個不可預測性是存在時間邊界的，一般以區塊鏈時間為邊界，通過控制計算難度，或設置等待，來增加預測的難度。簡而言之，有兩種方案：

• 保證隨機數從區塊時間上看是串行的（VRF/VDF）

• 保證隨機數產生的難度，並按情況調節難度（哈希碰撞）

保證隨機數生成是非交互的（閥值簽名方案），或完全根據節點本身狀態計算（哈希碰撞）

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設置隨機數生成時延，需要等待長時間的複雜計算才能得出隨機數，讓幹擾者無法預估自己施加的影響

3.可驗證

二級標題

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不符合上述原則的一些解決方案

為了解決區塊鏈上的隨機數難點，自發的產生了許多解決方案，以下簡述以下不符合上述三個原則的方案，雖然他們各自都有自洽的邏輯與一定的安全性，但在現階段還是存在問題的，在對安全需求不是那麼高的地方仍可以使用。這不不針對某個項目，而是指出相似範式的問題。

2.將當前塊的數據作為隨機源

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哈希碰撞

三類方案

哈希碰撞

優點：

優點：

• 優點：

• 缺點：

缺點：

• 優點：

• 隨機性最強，安全性號，非常適合驅動共識層；

• 計算冗餘度，計算消耗大，資源浪費；

• 二級標題

難以在應用層使用；

不具備唯一性，可以同時存在多個滿足要求的隨機數，可能導致區塊分叉；

二級標題

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可驗證隨機函數（VRF）

VRF（Verifiable Random Function）算法於1999年由莫卡利教授提出，由於其較好的安全性與效率，被越來越多區塊鏈項目拿來優化共識過程，讓共識的隨機數部分佔用計算資源變少，讓資源更多地被交易的確認與合約的運行所佔用。

集合上圖簡述生成步驟：

0.生成隨機數簽名專用公私鑰對；

1.獲得一個足夠隨機的種子，可以直接使用上一輪結果，與區塊高度、時間的變量等進行組合；

2.用隨機數私鑰對之進行簽名（共同參與隨機數生成），或是先簽名再組合；"Verifiable"3.對簽名後的值做哈希摘要，得出最新的隨機數；

因此這樣產生的隨機數，節點可以輕鬆驗證其是否合乎算法，

優點：

優點：

• 就這樣做到了；而經過足夠複雜的算法，加上哈希摘要過程，獲得足夠隨機分佈的結果，“Random”得到了保證。
  

• VRF主要結合PoS機制一起使用，來進行出塊人（群）的隨機選擇，個別項目中直接決定區塊的一致性選擇。這個隨機數的生成過程可以完全在一個節點的鏈下運行，同時也可以整個運行在鏈上。
  

• 算力要求低，產出隨機數效率高；
  

• 缺點：

缺點：

• 產生唯一性、確定性的隨機數，不易出現分叉；
  

• 驗證可滯後於隨機數產生，適合進行秘密選舉；
  

• 缺點：

Algorand

缺點：

驗證步驟較多，秘密選舉下需要多次驗證；

每一個節點都獲取前一輪確認區塊上的隨機種子，集合輪次時間等，在鏈下單獨運行VRF函數，然後對結果進行哈希摘要，節點將結果與網絡中哈希值範圍進行比較（比較類似於PoW哈希比對），範圍內的成員便有資格參與驗證與出塊。

優點：

優點：

• 優點：

• 缺點：

缺點：

• 優點：

• 缺點：

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DFINITY

抽中的節點需要很長時間互相確認身份，需要遍歷全網，帶寬使用率太高，這使得一般人無法參與共識，影響去中心程度；

由於驗證組大小根據概率範圍分佈，網絡規模小時選不出足夠多的節點，網絡規模大時驗證組過大性能太低；

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組的分配是隨機的，一個節點能同時存在於多個組中，但是組的成員是事先固定已知的，這一點與Algorand的“秘密選舉”有所不同——DFINITY是“先驗”， Algorand是“後驗”。

優點：

優點：

• DFINITY的隨機數生成過程是完全在鏈上的，你無法對這個隨機數過程進行控制。上一輪的隨機數，會在多個組中選出本輪的委員會組，整個過程的公開的。委員會組會履行出塊、公證的義務，公證過程時，節點會不斷尋找“權重”最高的那個區塊，這個“權重”也是上一輪的隨機數決定的，找到一個區塊，就會使用“隨機數密鑰”簽名並廣播。

• 而有一個運行在鏈上的程序，叫做隨機數信標，它在不斷地接受當前輪的簽名數據，當有一個區塊的簽名的簽名超過驗證組節點數的50%，它就會將簽名聚合起來，產生一個唯一確認的隨機數。這個隨機數的出現，就預示著本輪共識的結束，將會繼續選擇下一輪共識的參與者。

• 共識與隨機數生成階段節點無需交互，自動執行，無需拜占庭容錯，效率高，帶寬佔用較低；

• 缺點：

缺點：

• 隨機數的生成過程時不可操作的，非交互式的，因此無法施加影響，隨機數更公正；
  

• 閥值組已經確定，而不隨共識變化，天生適合分片，因此擴展性很好；
  

• 缺點：

Cardano

缺點：

後驗性，組員在共識前就已確定好，可能存在串通勾結的可能；

完全由隨機數驅動，勾結節點雖無法控制區塊鏈，但可以使系統宕機停止；

BLS算法學術基礎已經足夠，但缺少工程實現，並無開源案例。

此項目是著名的銜尾蛇（Ouroboros）算法的首個實現，共識階段以時代（epoch）為週期，每個輪次存在多個插槽（slot），每一個插都會產生一個區塊，如果出現問題可以跳過一個插槽。而每一個插槽該由誰來進行出塊，是需要使用本輪時代的起源（genesis）區塊給出的隨機數種子、有資格參與共識節點的抵押權益、節點公鑰、插槽列表（ index）等數據，集合節點公佈的公鑰，計算最終結，數就決定了哪個節點(slot leaders)能進行出塊。

揭秘的過程比較複雜，首先在插槽出塊階段前，所有根據權益（按照抵押大小）選上的節點，會秘密的計算一個隨機字符串，然後把這個字符串進行複雜加密，將加密後的密文廣播全網（不廣播視為在下一時代中棄權），並承諾會解釋秘密。隨後在插槽出塊過程中，節點會公開一個揭示數據Open，這個Open包含了解密與原隨機數，可以用於檢驗節點的這個隨機數。如此便可以保證在產生隨機數之前，節點早就準備好了隨機數並沒有修改過，而不是在收到他人秘密後才生成的，因為那樣可以間接的干擾隨機數的生成，從而間接控制區塊鏈。

優點：

優點：

• 優點：

• 缺點：

缺點：

• 優點：
  

• 缺點：
  

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VDF+Randao

驗證組是先確定的，根據權益大小排序，因此去中心化略差；

節點間可以串通勾結；

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之前有哈希碰撞中有講到，因為區塊數據的透明，PoW機制下的隨機數很難在上層的合約中作為種子應用，以太坊1.0也存在這個問題。因此就有人考慮使用去中心化的組織來分佈式的收集種子，從而在合約上實現一個安全不可預測的隨機數，這就是Randao。上文中也提到了，雖然其使用經濟上的設計限制了串通，但是卻依然存在“最後參與者攻擊”與“放大攻擊”的風險。

最後參與者攻擊：最後一個參與Randao的人可以預測部分未來隨機數，因此可以選擇不公開秘密，對其施加干擾。

放大攻擊：多次執行最後參與者攻擊，將對隨機數的干擾擴大，從而簡介掌控組織。

而在最近公佈的以太坊2.0的方案中，為了性能的考慮，需要使用PoS來替代PoW，因此需要隨機數來選定出塊資格。隨機數運行在一條稱為“信標鏈”的單鏈上，其產生的隨機數來隨機控制分片的組成，進而實現多片並行，擴展以太坊性能。因此隨機數又成為了以太坊升級的重要基礎，涉及到分片的公正性，與最終確認的可能性。

PoW的分片方案太過複雜，因此以太坊2.0的分片基於PoS實現，隨機數也是如此，無法再用過哈希碰撞來獲取共識層的隨機數了，因此以太坊2.0借鑒了Randao的想法，但為了解決上面講的兩個問題，引入了一個可驗證延遲函數VDF（Verifiable Delay Function），讓通過Randao產生的隨機數需要經歷一段很長的時間，才能得出結果，這個計算難度比較高，且必須等待多個區塊，是串行運行的，這樣一開始像Randao中傳送秘密時，攻擊者無法預測吃自己的秘密對最終最技術的影響，也就無法發動上述攻擊了。

首先介紹一下Randao，以太坊2.0上的節點通過抵押32的ETH，獲得加入Randao的資格，每一獲取隨機數種子時，參與Randao的節點會在心裡默念一個秘密的數字，然後加密後廣播出去。在所有人都獲取了其他人的密文後，節點會相繼公開這個秘密，隨機數使用某種方式合併，就可作為隨機數種子，來生成最終的隨機數。這就像玩橋牌，先牌面朝下的發牌給玩家，然後開牌時一個個進行揭露、為了不讓最後一個參與者預測結果，來施加干擾，選擇使用VDF來生成最終的隨機數。

而這個VDF存在以下特點：

3.串行性。 VDF的計算是一步一步執行的，想要計算最終結果必須按部就班的來，沒法進行並行加速，即使攻擊者手持多台機器也無法短時間裡預測結果。

優點：

優點：

• 就比如對一個長整數，連續取10次方後，對某一個大素數求餘數，然後連續進行上述步驟幾百次，這就是一個VDF的函數。因此計算次方的算法是有難度的，且多次循環下，必須知道前一次結果才能進行後一次的運算，因次這個算法的最終結果沒法很快的計算出來，必須老老實實一步一步的進行。同時由於人類的計算機架構，即使是算你差別非常大，這個計算難度也不會有指數級的變化，依舊十分難解。這個不可預測性，就保證了隨機數的安全性。

• 優點：

• 缺點：

缺點：

• 目前區塊鏈上最難預測的假隨機數，隨機數強度非常高，但弱於POW；

• VDF計算過程難度很高，獲取隨機數的效率很低，對計算性能有較大浪費；

• 總結

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總結

統計學家弗朗西斯· 加爾頓在1890年的《自然》雜誌上寫道：“作為一個選擇隨機的工具，我發現沒有什麼優於骰子。”