技術解析如何為 Solidity 智能合約生成隨機數_區塊鏈

使用區塊哈希作為隨機源在很多場景下都能很好地發揮作用，但當涉及到很大利益的時候可能會讓礦工作弊。

原文標題：《隨機數與區塊鏈》撰文：MarkusWaas翻譯：登鏈翻譯小組

當我們談論隨機數和區塊鏈時，實際上是兩個問題：

如何在智能合約中生成隨機數？如何為股權證明系統產生隨機數？或者更一般地說，如何在公共分布式系統中產生可信的隨機數？當然這兩個問題也有一些重疊的地方，一些用于第一個問題的方法也可能用于第二個問題，反之亦然。但我可以告訴你，這兩個問題的最佳解決方案很可能還沒有找到。事實上，這些問題真的很重要，用著名的唐納德的話說就是：「隨機數不應該用隨機選擇的方法生成」。

為什么這么難？嗯，這是由于隨機數的性質。人們可以很容易地創造出一個看似隨機的數字流，但這個數字流遵循某種已知的邏輯，從使攻擊者能夠預測到數字。

我們可能會天真地提出，每個節點在本地計算出一個隨機數。然后在廣播出這個隨機數。由于每個節點都會做同樣的事情，所以可以用一個函數來計算最后的隨機數，這個函數將之前本地產生的所有數字作為輸入，并產生一個單一的輸出結果隨機數，例如：v1⊕v2---⊕vn。然而，最后一個廣播本地隨機數的節點可以等待，直到他從其他節點收到隨機數。然后，他可以通過選取一個本地隨機數R以滿足vx=R⊕v1⊕v2--⊕vn來產生分布式系統的任何最終隨機數。顯然，這樣一個產生隨機數的系統是有缺陷的。

移卡執行董事姚志堅：支付體系要通過區塊鏈技術解決商戶痛點:移卡執行董事姚志堅表示，對于支付機構來講，首先要看到區塊鏈技術以及它所帶來的商業場景。在整個支付體系里，線下的商戶有營銷需求，通過在公域流量平臺進行廣告投放可以獲得曝光，但是這種模式費用很高，線下的小商戶壓力非常大。支付機構能夠通過支付產生的海量數據和信息知道小商戶的需求是什么、痛點是什么，再通過技術手段如區塊鏈的技術去解決這些痛點。（每日經濟新聞）[2021/1/20 16:34:08]

我們需要更好的方式。如何解決隨機數的這些問題，值得繼續關注詳細介紹。你也可以看看預測以太坊智能合約中的隨機數。本文是討論第一個問題的良好開端。而對于第二個問題，現在有一些有趣的想法，也有一些看似瘋狂的想法，比如以太坊基金會的新想法，建立成千上萬的ASIC來驗證VDF。

為Solidity智能合約生成隨機數

現在，大多數人都知道，當人們試圖在智能合約中生成隨機數時，會面臨一個問題。遺憾的是沒有一個萬能的解決方案，讓我來介紹一下現有的解決方案。

簡短的失敗方案回顧

動態 | 區塊鏈服務公司AlphaPoint升級STO技術解決方案 以吸引機構客戶:據CoinDesk消息，3月28日，區塊鏈服務公司AlphaPoint透露，其已升級其證券型代幣產品（STO）技術解決方案，以吸引機構客戶。AlphaPoint稱，憑借其升級的技術堆棧，私募股權、房地產公司和基金等金融機構可以發行資產支持的證券型代幣，從而增加市場流動性。該公司進一步表示，它正在開發資產數字化（Asset Digitization）軟件，以幫助客戶以“安全和私密”的方式創建、發行和交易證券型代幣。[2019/3/28]

我們簡單的看一下常見的方案，以及它們為什么不好。在這里我就不詳細描述，因為已經有其他的文章描述的很好了。

使用區塊變量作為隨機數

block

uint256randomNumber=uint256(blockhash(blockHashesToBeUsed));blockHashesToBeUsed=0;gameWeiValues=0;if(randomNumber!=0||randomNumber%2==0){uint256winningAmount=gameWeiValues*2;msg

聲音 | 浪潮集團董事長孫丕恕：可以運用區塊鏈技術解決企業打假問題:據央廣網消息，3月4日，全國人大代表、浪潮集團董事長孫丕恕做客央廣經濟之聲《企業家說》時表示：可以運用區塊鏈技術，從生產到流通到消費形成閉環，解決企業打假問題，比如買茅臺最關心真假問題，到時候用手機掃碼就知道真假。[2019/3/4]

}

randomNumber!=0的檢查是必不可少的，因為Solidity只能回溯256個塊。因此，如果玩家等待的時間超過256個區塊，會強制為0。例如，這已經被用于黑客SmartBillions。

所以，使用未來的區塊哈希，就很好嗎？

這要看情況！你是否允許中獎金額高于區塊獎勵的賭注？那么就要注意礦工的操作。如果我們假設區塊獎勵為3個ETH，任何超過6個ETH的賭注實際上都會給礦工提供作弊的動機。雖然礦工不能自由選擇區塊的哈希值，但他可以選擇不發布新發現的區塊哈希值來影響隨機數。

承諾模式

自1981年以來，承諾模式的第一個版本已經存在。看一下MichaelBlum的電話里翻硬幣。這是一個有趣的閱讀。我們可以簡單地在Solidity中使用哈希來實現，這是怎樣的呢？

聲音 | 網信將采用區塊鏈等技術解決小微企業息不對稱問題:據鳳凰網消息，近日，網信普惠風險官周龍在“2018零壹財經新金融夏季峰會”上表示，“為了解決小微企業的信息不對稱問題，網信通過采用區塊鏈、云計算技術為處于供應鏈末端的小微企業提供真實的數據管理技術，將金融科技與供應鏈相結合。通過對信息流、物流、資金流的風險把控與價值固化，實現“三流”合一。借助先進的算法與區塊鏈技術，實現高效的數據收集與處理，實現實時動態智能化監控，解決供應鏈生態圈中各節點的信任問題，從而提升供應鏈金融服務中小微企業的能力。”[2018/7/23]

我們用開頭所說的天真想法：

每個節點在本地計算一個隨機數。它進一步廣播這個隨機數。由于每個節點都會做同樣的事情，所以可以使用一個函數計算最終的隨機數，該函數將之前本地產生的數字作為輸入，并產生一個單一的輸出，例如，v?⊕v?---⊕v?。

現在，在承諾模式下，一個節點將不廣播隨機數，而是先計算該數的哈希值。這個哈希將是隨機數值的承諾。然后它就會廣播承諾哈希。這有什么用？

承諾，顧名思義，一個節點之后再提交原始隨機數值，因為不可能找到碰撞。因此，在揭示階段，一個節點不能再改變其秘密原始隨機數值。當然，每個節點只有在收到所有其他節點的承諾后，才開始揭示階段。程序是這樣的：

小米于去年4月已進軍區塊鏈領域 曾首推以區塊鏈技術解決營銷痛點:近日，有媒體發現小米在某招聘網站上招聘區塊鏈開發工程師與區塊鏈專家，并配文小米疑似進軍區塊鏈領域，據調查發現，其實小米公司于2017年4月便公開表示進軍區塊鏈，并在《探索程序化廣告區塊鏈解決方案》主題演講中提出了基于區塊鏈的營銷解決方案，以解決程序化廣告領域長期存在的痛點問題，小米 MIUI商業產品部數據業務負責人周茂華曾表示“小米做為一家數據源極其豐富的公司，極其關注用戶隱私和數據安全。我們是使用區塊鏈和密碼學技術來促進行業數據協作，打破數據孤島的先鋒。既要實現數據資產的最大幅度保護，也要促進數據的流動，為營銷行業提供價值。”[2018/2/24]

所有參與者，P1...Pn，每人產生一個秘密隨機值Vi。Pi計算其秘密隨機值的承諾哈希值：Ci=H(Vi)。每個Pi先發送Ci。在收到所有的Ci后，每個Pi發送Vi。所有參與者可以通過檢查Ci==H(Vi)來驗證接收的秘密隨機值。當所有的Vi都被揭示和驗證后，隨機數生成的結果將是R=V1⊕V2⊕...⊕Vn。(XOR)如果有一個參與者沒有透露他的Vi，他就自動輸了。

聽起來好得不像真的？你是對的。這只適用于兩個節點，例如，在一個有銀行和單個玩家的賭場中。我已經在Solidity和AWSLambda中實現了一個概念驗證的原型。

讓我們看看為什么這只對兩個節點有效。

我們面臨最后一個節點Pi揭示隨機數值的問題，因為它可以比其他人更早地用它秘密值計算最后的R，這就是最后揭示者問題。它揭示的Vi可能無法再影響R，然而，它可能選擇不揭示該值，使所有其他各方除了中止隨機數生成外沒有其他選擇。如在兩個用戶的情況下，不揭示的節點可能會輸掉這場賭局。不過，在東方參與情況下是不夠的。由于多個用戶參與，只有一個不暴露方會有損失，所以攻擊者可能會做以下事情：

創建很多數量的實體，并與所有實體一起參與賭注。在揭示階段，保留他最后一個實體的秘密隨機值。等到其他每個實體都揭示出它們的隨機值，然后計算出最終結果。如果計算出一個積極的結果，則選擇揭示最后一個實體的秘密值。否則，就不透露最后的數值。賭博必須中止，玩家將獲得退款。攻擊者只輸了一個實體的賭注。多方參與承諾模式

多方環境的修改相當簡單，但也有一些重大的缺點。

修改：除承諾外，每個參與者還附上抵押品。揭曉階段結束后，將向每一個揭曉實體退還抵押款。如果參與者不披露自己的秘密值，他們不僅輸掉了賭局，還輸掉了自己的抵押品。在這種情況下，所有不披露實體的質押物被所有披露的實體瓜分，或者選擇銷毀。

影響：不幸的是，所需的抵押規模可能高得離譜。給定1萬名參與者的抽獎，每人票費4美元，參與者在退還參與者的抵押金總額近4億美元。

另外，也可以將質押物燒掉。對于我們的彩票例子來說，燃燒抵押品將必要的抵押規模降低到39992美元，這對于大多數實際使用案例來說還是太高了。

有一個類似的實現，但迄今尚未在實踐中使用。在ETH2.0中，Randao也將作為基礎隨機信標，上面有VDF。我們可以在后面的文章中詳細討論ETH2.0中的用法。

結論

我們已經研究了Solidity中多方隨機數的兩種方法。雖然blockhash如果使用得當，在很多場景下都能很好地發揮作用，但當涉及到很大利益的時候，它的表現就不盡如人意了，這會讓礦工作弊。其次，承諾模式對于雙人方案非常有用。不幸的是，對于大多數現實世界使用案例的多人情況來說，承諾模式是不夠的。那我們能做什么？一種選擇可能是使用預言機，我們可以在后面相關博文中討論。

參考鏈接

預測以太坊智能合約中的隨機數:https://blog.positive.com/predicting-random-numbers-in-ethereum-smart-contracts-e5358c6b8620

黑客SmartBillions:https://www.reddit.com/r/ethereum/comments/74d3dc/smartbillions_lottery_contract_just_got_hacked/

電話里翻硬幣:https://www.cs.cmu.edu/~mblum/research/pdf/coin/

類似的實現:https://github.com/randao/randao

來源鏈接：soliditydeveloper.com

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開放的分布式區塊鏈應用平臺，通過其專屬加密貨幣Ether以太幣提供去中心化的虛擬機，處理點對點合約。允許任何人建立和使用通過區塊鏈技術運行的去中心化應用，沒有任何欺詐、審查、第三方監管。以太坊的概念首次在2013至2014年由維塔利克·布特林VitalikButerin受比特幣啟發后提出，旨在共同構建一個更全球化、更自由、更可靠的互聯網。以太坊EthereumETHERC20ERC-20ERC20ERC721ERC-721以太坊2.0查看更多

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