以太坊:技術解析如何為 Solidity 智能合約生成隨機數

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。

聲音 | 北京市政協委員張凌云：通過區塊鏈技術解決文化產業中維權難等問題:在目前召開的北京市政協第十三屆委員會第三次會議上，北京市政協委員張凌云此次帶來了兩份提案。如何利用區塊鏈技術推動北京市文化產業發展成為此次張凌云關注的重點話題之一。張凌云提出，可以通過區塊鏈技術解決文化產業中維權難、取證成本高等問題。具體來看，張凌云提出三點建議。第一，將區塊鏈技術深度融合進互聯網文化產業；第二，利用區塊鏈技術實現文化產業交易的去中心化，為優秀內容構造安全、高效的版權流通體系；第三，利用區塊鏈技術實現對文化產業內容從確權、監控到取證、存證、在線爭議解決的一站式文化產業知識產權保護體系。（證券日報）[2020/1/14]

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。

聲音 | 騰訊金融李康寧：可利用區塊鏈技術解決供應鏈金融市場諸多痛點:據中證網今日消息，騰安基金銷售公司總經理、騰訊金融科技首席理財專家李康寧表示，可在傳統供應鏈金融的基礎上結合區塊鏈技術，利用區塊鏈技術不可篡改、去中心化的特點解決供應鏈金融市場各環節參與者的諸多痛點。核心企業在區塊鏈上對其應付賬款進行確權后，形成數字債權憑證，應收賬款通過區塊鏈不可篡改、雙重記賬的方式流轉至多級，穿透覆蓋至長尾端供應商，并可以在任何一個環節追溯到核心企業。有核心企業的應付賬款作為信用保證，金融機構風險降低，在鏈條上的供給供應商就可以向金融機構發起融資需求，以改善小微企業融資難、融資貴問題。[2019/3/20]

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

block

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

動態 | OneWattSolar想借助區塊鏈技術解決非洲能源問題:根據世界銀行的數據，大約41％的尼日利亞人無法獲得電力，位于拉各斯的創業公司OneWattSolar希望借助區塊鏈技術解決這個問題，通過加密貨幣廉價購買清潔能源。清潔能源裝備提出了一種方法，允許成千上萬的非洲人使用區塊鏈代幣支付太陽能，而無需支付太陽能系統基礎設施，這是通過財政支持者提供資金的[2018/10/27]

}

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？

中證征信張哲：希望通過分布式賬本技術解決中小微金融問題:近日，中證征信有限公司首席產品官張哲在“新金融100人——金融業如何迎接區塊鏈革命”論壇上表示，希望通過分布式賬本技術解決中小微金融中的一些問題。包括： 供應鏈參與者系統對接中的低效及高額的成本。 信息存在欠透明和難保密的兩頭難為題，獲取信息成本高。 資金方操作性風險。 不同供應鏈成員中的糾紛風險。人工操作過多導致操作性和欺詐風險。[2018/4/27]

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：

西北農林科技大學教授霍學喜委員：可以嘗試采用區塊鏈等技術解決農村金融問題:兩會期間，西北農林科技大學教授政協委員霍學喜，在談到數字普惠金融降低運營成本時提到：傳統銀行和互聯網銀行可以嘗試采用數字技術解決農村金融問題,包括移動互聯、大數據、云計算、區塊鏈、人工智能等數字技術。[2018/3/3]

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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