黄连金∣随机数在区块链中的应用和生成机制

在人们的生活中，很多场景都需要用到随机数，例如福利彩票、车牌摇号、公共用房分配等。互联网的发展，让人们对随机数的运用越来越依赖中心化系统，但是绝大多数中心化系统，生成的随机数都是伪随机数，并且存在作弊的风险。

区块链的出现，让人们看到了生成更公平的随机数的可能。而随机数对于区块链本身也有着非常重要的作用，那到底随机数在区块链中有哪些应用场景？区块链又是如何产生更可靠的随机数的呢？

随机数在区块链中的应用

私钥

拥有加密货币的人都知道私钥的重要性，谁拥有你的私钥，谁就拥有了你的加密资产。私钥的生成都需要依赖随机数，所以能否保证随机数的不可预测和破解，关系着加密资产的安全。

比特币私钥使用的是SHA-256生成的256位随机数，这个随机数的取值范围是0~2²⁵⁶-1。2的256次方近似于10的77次方，这是一个取值范围非常大的数，以现有的计算能力，想要暴力破解，几乎不可能。

不能暴力破解，但是如果生成随机数的随机数生成器可以被操控，生成的随机数可以被预测，那你的私钥就有可能被解密，加密资产的安全就得不到保障了。

竞猜类应用

在竞猜应用里，需要使用随机数，来保证结果的随机性，避免人为干预，影响结果的公平性。

在中心化环境下，参与竞猜的用户需要向系统提交竞猜订单，系统根据规则收集用户的信息，然后生成竞猜结果。在整个过程中，客户端不会参与竞猜结果的计算，竞猜结果本质上是由系统生成的一串随机数。当出现巨大利益诱惑时，系统可能会作弊，让自己从中得利。

在去中心化环境下，没有唯一的中心，可以让所有节点共同参与随机数的生成，可以有效的保证随机数的公平性。但是在去中心化环境中，黑客可以更方便的对随机数发起攻击，从中获得利益。到目前为止，区块链随机数的安全性仍然是一个需要突破的技术问题。

在2018年8月，曾火爆一时的Fomo3D游戏，就被黑客利用其随机数漏洞，在游戏中获得了巨额的利益。继Fomo3D之后，EOS上的众多热门DAPP，尤其是竞猜类游戏，如EOS.WIN、EOSDice等，也先后因随机数生成的缺陷遭到了黑客攻击。

POS共识机制

区块链是一种去中心化的分布式记账技术，在去中心化的环境里，要实现正确的记账，随机的选出记账人，是非常关键的。因为只有在随机的条件下，才能保证公平的分配记账权，合理分配挖矿奖励。

采用POW的共识机制，是通过算力竞争，计算一个非常有难度的哈希值，来随机确定由谁来记账。采用POS的共识机制，则需要通过随机数，随机选举出一个节点来进行记账。 

大多数POS协议都会根据持有者的代币数量，选出一组矿工和验证者，共同完成对链上交易的验证和出块。为了能够随机的选出矿工和验证者，保证公平分配奖励，算法必须融入一些公平、无偏倚的随机数源。所以在许多POS共识机制中，随机数是一个非常关键的技术。

真随机数和伪随机数

随机数分为真随机数和伪随机数。真随机数数列是完全不可预测的，只存在真实的物理世界中，例如放射性衰变、电子设备噪音、宇宙射线的触发时间等，我们可以通过采集这些数据，获得真随机数数列。伪随机数是通过获得的真随机数数列（通常称作随机数种子），使用随机数算法计算得来的。只要获得随机数种子，就能得到相同的伪随机数数列。

所以真随机数只存在真实的物理世界中，计算机中的绝大多数随机数都是伪随机数。想保证伪随机数的安全，就需要有效的随机数种子和安全的随机数生成器。

区块链随机数的生成方式

区块链是去中心化的系统，理论上，产生的随机数比中心化系统会更公平，但是在去中心化环境里，如果有巨额利益，更容易遭到黑客攻击，所以为了保证区块链随机数的安全性， 诞生了各种不同的随机数生成机制。

VRF（可验证随机函数）

VRF（Verifiable Random Function，可验证随机函数）是一种可验证的随机数生成方式。目前主要是基于POS共识算法的区块链项目在使用，包括Algorand、Cardano。

在Algorand、Cardano中，VRF是产生随机数的关键。VRF可以根据任意的一个输入，输出一个随机数。在VRF中特别设计了一个非交互的零知识证明过程，可以用来验证随机数的正确性，以及某随机数是由某节点生成的。

VRF中主要包含四个环节：

生成公私钥对

生成随机数输出

计算零知识证明

验证随机数输出

生成随机数的节点将自己的私钥，作为生成随机数的输入的一部分，然后在本地输出随机数和零知识证明。其他节点可以利用生成随机数的节点的公钥、输入、输出，验证随机数和生成者身份的真假。

得到随机数之后，就需要用生成的随机数来挑选参与出块的节点。最简单的方式是在全网设置一个公认的临界值M，假设某个节点生成的随机数R大于临界值M，系统就允许节点参与下一步的出块任务。但是这种方案没有办法防止女巫攻击，所以现在大部分VRF抽签方案都会基于权益进行票数分配，然后设计抽签算法，完成后续的共识过程。

Randao

Randao基于区块链技术，提供开源、去中心化、可证公平的随机数生成服务。Randao的目标是满足随机数生成不可控制和不可预测的基本特性的同时，使个体可以参与随机数的生成，保证随机数具备可参与性，利用区块链透明和不可逆的特点，保证结果的可证公平性。

Randao主要采用了Commit Reveal和BLS。 Commit Reveal其缺点主要是生成随机数的速度较慢。在以太坊中，从接到随机数生成请求，到生成随机数，至少需要 10 个块以上的时间，目前耗时在 3 分钟以上；因为需要参与者多次发送交易提交数据，其生产和使用成本较高。但该方案的优势在于，其参与门槛基本为零，任何人都可以随时加入一个随机数的生成过程，在防止串谋和可证公平方面拥有一定优势。

BLS 签名方案是对Commit Reveal的一种补充，因为生成过程在链外组织，响应速度快，通常只需要一个区块的时间就能生成随机数；消费者发起随机数生成请求，生产者在下一个块写入随机数，只需要发送两次交易就可以完成随机数的生成和调用，生产和使用成本都很低，适合用于高频，同时对防串谋要求不高的场景。 

阈值签名机制（Threshold Signature Scheme）

Dfinity是一个公链项目，目标是成为“互联网电脑”，实现软件和服务在其公有云的运转。在Dfinity中，随机数是整个共识机制正常运转的核心，其采用的阈值签名机制结合了VRF和BLS签名机制，是生成随机数的一种有效方式。

阈值签名机制主要由三部分组成：输入、输出、阈值机制。输入是一组成员的私钥，输出是一个随机数。阈值机制能够保证的是，只要接收来自成员的输入数量超过设定值，就可以得到一个确定的随机数，但是在得到小于设定值的输入数量前，没有人能够预测输出的随机数是多少。输出随机数的过程中使用了VRF，阈值机制中使用了BLS签名机制。

阈值签名机制结合了VRF和BLS，VRF使其生成的随机数具备了可验证性，BLS签名机制使签名过程中，没有节点可以提前预知签名结果，实现了随机数的不可操控性，并且很难串谋，是一种不错的随机数生成机制。

NULSRNG

NULSRNG是全球开源社区项目NULS，根据其POC（Proof of Credit）共识算法，专门为DAPP设计的随机数种子生成机制。

NULSRNG的实现方式是基于POC共识的两段式随机种子提交生成机制。即每个节点在出块的同时生成一个随机种子，并对该随机种子进行加密处理，将生成的密文包含在区块头中，同时获取该节点上次出块时生成的256位随机种子明文。结合区块头中的明文和密文，就可以对节点生成的随机数种子进行验证，确保不可篡改。

NULSRNG基于底层共识实现，由全部共识节点参与，这样的方式增加了节点串谋的难度，采用种子密文和明文两段式提交的方式，能够实现种子可验证和不可篡改。

在NULS上开发的DAPP，可以直接利用底层提供的接口，获取随机种子，然后采用自己的随机算法，生成需要的随机数数列，不仅可以提高随机数的安全性，同时使用上也可以做到灵活方便。

结语

1、 在区块链中，随机数有着非常多的应用场景，随着区块链技术的不断发展和完善，人们对区块链随机数的应用将会不断增加；

2、 在区块链领域中，目前已经有许多不同的随机数生成机制，它们都有着各自的特点；

3、 意识到随机数的重要性，越来越多的技术团队和项目方，开始研究更好的随机数生成机制，未来将会有更多完善的区块链随机数生成机制产生。

作者简介：

黄连金

著名区块链专家、核聚链首席科学家、美国 DistributedApps CEO、中国电子学会区块链分会专家委员、NULS顾问。

向文波

Java软件工程师、Cryptotech-Writer、NULS Core Team成员。专注于区块链技术研究和区块链解决方案。

参考文献：

《Randao: Verifiable Random Number Generation》；

《Verifiable Random Functions》

Silvio Micali， Michael Rabiny， Salil Vadhanz；

《DFINITY Technology Overview Series Consensus System》

Timo Hanke, Mahnush Movahedi ， Dominic Williams。

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