主流公链中的随机数技术

前言：

作者简介

yihuang：每日币经特约专家，前腾讯区块链专家，在游戏领域有多年一线开发经验，拥有自己个人专属的区块链游戏引擎，可在移动设备上实现源生APP，H5,3D落地。

正文：

随机数对于区块链技术来说很关键。 本质上，分布式账本的核心问题就是随机选择出块人的问题，这个随机性要能被全网确认，并且不能被操控，也不能被预测， 否则恶意节点通过操控这个随机数就可以操控长链，从而实现双花攻击。

PoW的方案是让大家进行算力竞赛，设置一个计算哈希的难题，谁先算出来谁赢，算力高的赢的概率高，算力低的赢的概率低。投入的算力能够提现在哈希值上， 这样全网能够验证，并选择包含最多算力的那条链。恶意节点只能通过提升自己的算力来增加攻击成功的概率。

PoS的方案是选举，大家不用浪费电力去进行算力竞赛，而是文明一点，随机选举一个节点来出块，并且被选中的概率和它拥有的份额相关。 如果“随机”这一步没有问题的话，恶意节点只能通过增加自己的份额，增加自己被选中的概率，从而增加双花攻击的成功概率。 这里有一点比PoW的方案要好就是，要实现攻击，先得成为持币大户，如果攻击成功币价大跌，攻击者也会承受最大的损失。 而PoW方案中虽然算力要花钱，但是如果攻击者没有持币，那么他的利益和币价不一定是正相关的，不能排除仍然存在攻击的动力。

那么接下来的核心问题就是，这个不能被操控不能被预测的随机数从哪来。

传统地PoS方案尝试从链上现有的数据入手，比如使用上一个区块的哈希值，上一个区块的时间戳等等来作为随机数的来源，但这些会带来额外的安全风险。 因为区块本身的信息就是节点写进去的，然后又要根据里面的信息来选举后续的出块者，存在循环论证的嫌疑，安全性不会太好。 这也是传统地认为PoS方案不如PoW可靠的部分原因。

Cardano项目采用的Ouroboros协议是被密码学界证明安全的一个PoS协议，也是唯一一个被工业界采用的可证明安全性的PoS协议。 它采用密码学的手段来生成这个随机数。为了弄清楚这个过程，我们先从更基础的密码学工具开始：

1.承诺(Commitment)和打开(Open)

假设张三李四要玩剪刀石头布，用传统方式作弊者如果稍微出的晚一点，可以等看到对方的手势后再做选择。 为了防止这种情况，他们：

先各自做出选择，然后把自己的选择做个哈希；

交换这个哈希；

等双方都收到对方的哈希后，再交换双方的选择；

这样双方都知道了对方的选择，也能确认对方的选择是提前就做好的。 这个哈希值就叫做承诺，因为它里面包含了保密信息，但又没有泄漏保密信息，而最终发送对应的保密信息，就叫做打开承诺。

承诺和打开是一种模式，哈希只是实现手段之一。

2.简单随机数协议（Coin-Tossing）

现在我们可以设计一个多方生成随机数的协议：

每个节点在本地产生一个随机数，并把它的承诺广播给其他人

当它收到所有人广播的承诺后，再把打开也广播给其他人。

最后大家把得到的随机数异或到一起，因为异或操作满足交换律和结合律，所以操作顺序不影响结果。

最终大家都得到了一个一致的无法被操纵的随机数。 但这个简单协议的问题在于，恶意节点可以选择终止协议，也就是不发送自己的打开，会使得其他人无法进行下去。要解决这个问题，我们还需要另一个工具。

3.可验证秘密共享（Verifiable Secret Sharing）

秘密共享是说，一个人可以把一个需要保密的信息，拆分成n份，分别发送给n个人，只要恶意节点不超过一定数量，最终大家可以综合各自的信息片段把原始信息还原出来。 并且就算分发者如果作弊，大家也可以检查出来。具体的实现方式也有多种，这里就不深入了。

有了这个工具，就算恶意节点不发送打开，我们也能根据拆分信息还原出他的随机数，如果他想在拆分信息上作弊，大家也能检查出来并把他踢掉。

结合这几个技术，我们就可以有一个完整的随机数生成协议了。最后，因为我们本来就是个区块链，所以协议过程中需要广播的信息，我们可以直接写到链上去， 这样可以简化实现，并且也不需要所有投票节点同时在线，并且如果有人作弊，作弊的记录将会永远保存在链上。

最后综合一下整个协议流程：

在提交阶段，每个节点本地生成随机数和对应的承诺，同时把随机数拆成n份匹配其他的投票节点， 并且用相应投票节点的公钥对每一份信息进行加密，保证它只能被对应的节点解密， 然后把承诺和加密后的拆分信息一起广播给区块链。

当大家收到大部分节点的承诺和拆分信息后，就进入打开阶段，每个节点把自己的打开发到链上。

然后是恢复阶段，每个节点检查是否有节点发送了承诺但没有发送打开， 如果有，则解密自己对应的那份拆分信息并发布，然后根据大家发布的拆分信息恢复出该节点的随机数。

现在大家就有了所有节点的随机数，把它们异或到一起，最终得到了一个一致的随机数，并用它来选择下一轮的出块人。

最后，这个随机数不光可以用来选择出块人，也可以给智能合约用，这是PoS另一个好处； 而PoW体系虽然出块人是随机的，但并没有产生一个具体的随机数，所以智能合约要用随机数，还是得从区块链本身的数据里面去获取了。

以后会继续介绍Ouroboros协议其他方面的细节。

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