ETH:技術解析如何為 Solidity 智能合約生成隨機數_以太坊

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。

西城區推“區塊鏈”技術解決企業注銷“社會公示”難題:為進一步優化營商環境,便捷企業辦理市場退出，西城區市場監管局結合區塊鏈應用試點工作，針對企業注銷場景探索線上線下相結合的公示機制，有效解決企業注銷過程中“社會公示”難題，進一步推進企業注銷便利化。（北京青年報）[2020/4/10]

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

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

銳明技術：公司主要利用區塊鏈技術解決數據加密問題:金色財經報道，銳明技術(002970.SZ)在互動平臺回答投資者問題時表示，公司是以視頻為核心的商用車解決方案提供商，主要圍繞各種商用車輛的駕駛安全、公共安全、司機及車輛的合規監管、營運企業自動化及信息化管理等開展業務。關于區塊鏈，公司主要利用該技術解決數據加密問題。[2020/4/7]

block

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

}

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？

聲音 | 英美反人口販運大使：支持使用區塊鏈等新技術解決人口販運問題:據Cointelegraph消息，近日，英國和美國反人口販運大使John Richmond表示，支持使用手機應用程序和區塊鏈等新技術來解決人口販運問題。[2019/4/9]

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？

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?。

動態 | 捷克設計師利用區塊鏈技術解決服裝的售后維修等問題:據《福布斯》報道，捷克設計師Martina Sperlova與倫敦的區塊鏈公司Provenance合作，在衣服中置入一塊儲存著大量信息的防水洗芯片，用手機掃描后便會獲取一個鏈接，點擊后可讀取關于這件衣服的來源、制作、故事等信息，這一鏈接也可以在線上與他人共享。消費者還可以隨時通過區塊鏈與品牌和設計師聯系，進行售后維修。[2018/7/30]

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：

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。

河南利用區塊鏈技術解決基層公共衛生難題:據人民網消息，從有關方面獲悉，河南通過互聯網區塊鏈技術打造健康服務智慧云平臺，用于解決中國基層公共衛生服務面臨的主要難點。目前，該平臺已在河南周口、平頂山應用于實踐，取得良好效果。據了解，通過上述平臺，醫療衛生部門可以便捷、真實、有效地完成公共衛生居民健康體檢工作。居民則可隨時通過電腦或智能手機查看及打印個人檔案，并可在線向專家醫生咨詢病情或在線預約掛號。[2018/7/16]

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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