區塊鏈:隨機數在區塊鏈中的應用和生成機制_ELD

編者按：本文來自巴比特資訊，作者：黃連金，著名區塊鏈專家，核聚鏈首席科學家、美國DistributedAppsCEO、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，NULSCoreTeam成員，Odaily星球日報經授權轉載。

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

動態 | EOS DApp EOSPlay 遭遇新型隨機數攻擊:據慢霧區情報，EOS DApp EOSPlay 中的 DICE 游戲于昨晚遭受新型隨機數攻擊，損失數萬 EOS。目前項目方已經把游戲暫停。經過慢霧安全團隊的分析，發現攻擊者（賬號：muma******mm）可能使用下列方式達到攻擊目的。

1、攻擊者為自己和項目方租用了大量的 CPU

2、攻擊者發大量 defer 交易

3、由于以上兩點原因，導致 CPU 價格被拉高，從而導致其它用戶 CPU 不足

4、因為 CPU 不足的原因，其他用戶難以發送交易，攻擊者得以使用自己交易占滿區塊

5、根據提前構造的交易內容，攻擊者可以成功預測出區塊哈希

由于項目方采用的是使用未來區塊 id 的方式開獎，通過控制區塊內的交易內容，就能控制區塊信息，進而控制區塊 id，達到預測開獎結果的目的。慢霧安全團隊建議 DApp 開發者使用更為安全的隨機數生成方式，避免遭到隨機數攻擊。同時，特別感謝 WhaleEx 在此次分析過程中提供的幫助。[2019/9/14]

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，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

動態 | EOS競猜游戲EOS Royale遭隨機數攻擊:今天下午1:47-3:20之間，PeckShield安全盾風控平臺DAppShield監測到，黑客向EOS競猜類游戲EOS Royale發起連續攻擊，獲利上萬個EOS。安全人員初步研究發現，此次攻擊是黑客通過不斷發起Onerror獲取游戲計算隨機數方法，從而能夠提前計算或者阻塞游戲合約開獎。PeckShield安全人員在此提醒，開發者應在合約上線前做好安全測試，特別是要排除已知攻擊手段的威脅，必要時可尋求第三方安全公司協助，幫助其完成合約上線前攻擊測試及基礎安全防御部署。[2019/8/4]

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。VRFVRF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

聲音 | PeckShield: EOS競猜游戲EOSlots遭隨機數破解:今天晚上21:16～21:21之間，PeckShield安全盾風控平臺DAppShield監測到黑客向EOS競猜類游戲EOSlots發起連續攻擊，并獲利數千EOS，目前游戲已經暫停運營。PeckShield安全人員初步研究發現，此次是因游戲合約隨機數問題被攻破。在此提醒，開發者應在合約上線前做好安全測試，特別注意隨機數生成算法的安全問題，必要時可尋求第三方安全公司協助，幫助其完成合約上線前黑盒測試及基礎安全防御部署。[2019/4/4]

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。RandaoRandao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CommitReveal和BLS。CommitReveal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CommitReveal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。NULSRNGNULSRNG是全球開源社區項目NULS，根據其POC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。

聲音 | 慢霧預警：攻擊者喊話所有鏈上偽隨機數(PRNG)都可被攻擊:攻擊者 floatingsnow 向自己的子賬號 norealrandom、dolastattack 轉賬并在 memo 中喊話：hi slowmist/peckshield: not only timer-mix random but all in-chain PRNG can be attack, i suggest b1 export new apis (get_current_blockid/get_blockhash_by_id) instead of prefix/num

從賬號名稱和 memo 可知攻擊者對目前 EOS DApp 鏈上隨機數方案了如指掌，攻擊者指出 tapos_block_prefix/tapos_block_num 均不安全，并提議 b1 新增 get_current_blockid / get_blockhash_by_id 接口。[2019/1/16]

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。

動態 | EOS競猜游戲Lucky Nuts因隨機數安全問題暫停:據 PeckShield 態勢感知平臺12月26日數據顯示：今天凌晨02:36-05:11之間, 黑客向Lucky Nuts游戲合約(nutsgambling)重放多筆具有相同內容的交易，并持續從中獲利。最終將大部分不當EOS獲利轉向幣安交易所賬號(binancecleos)。目前游戲合約已暫停交易，截至發稿時還處在維護狀態。PeckShield 安全人員初步研究發現，此次是因游戲合約隨機數問題被攻破。PeckShield在此提醒廣大游戲開發者和游戲玩家，警惕安全風險。[2018/12/26]

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

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。參考文獻：《Randao:VerifiableRandomNumberGeneration》；《Veri?ableRandomFunctions》SilvioMicali，MichaelRabiny，SalilVadhanz；《DFINITYTechnologyOverviewSeriesConsensusSystem》TimoHanke,MahnushMovahedi，DominicWilliams。

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