在人們的生活中，很多場景都需要用到隨機數(shù)，例如福利彩票，車牌搖號，公共用房分配等?；ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)展，讓人們對隨機數(shù)的運用越來越依賴中心
在人們的生活中，很多場景都需要用到隨機數(shù)，例如福利彩票，車牌搖號，公共用房分配等?；ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)展，讓人們對隨機數(shù)的運用越來越依賴中心化系統(tǒng)，但是絕大多數(shù)中心化系統(tǒng)，生成的隨機數(shù)都是偽隨機數(shù)，并且存在作弊的風險。
區(qū)塊鏈的出現(xiàn)，讓人們看到了生成更公平的隨機數(shù)的可能。而隨機數(shù)對于區(qū)塊鏈本身也有著非常重要的作用，那到底隨機數(shù)在區(qū)塊鏈中有哪些應用場景?區(qū)塊鏈又是如何產(chǎn)生更可靠的隨機數(shù)的呢?
隨機數(shù)在區(qū)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(chǎn)。私鑰的生成都需要依賴隨機數(shù)，所以能否保證隨機數(shù)的不可預測和破解，關(guān)系著加密資產(chǎn)的安全。
比特幣私鑰使用的是SHA-256生成的256位隨機數(shù)，這個隨機數(shù)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(shù)，以現(xiàn)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(shù)的隨機數(shù)生成器可以被操控，生成的隨機數(shù)可以被預測，那你的私鑰就有可能被解密，加密資產(chǎn)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(shù)，來保證結(jié)果的隨機性，避免人為干預，影響結(jié)果的公平性。
在中心化環(huán)境下，參與競猜的用戶需要向系統(tǒng)提交競猜訂單，系統(tǒng)根據(jù)規(guī)則收集用戶的信息，然后生成競猜結(jié)果。在整個過程中，客戶端不會參與競猜結(jié)果的計算，競猜結(jié)果本質(zhì)上是由系統(tǒng)生成的一串隨機數(shù)。當出現(xiàn)巨大利益誘惑時，系統(tǒng)可能會作弊，讓自己從中得利。
在去中心化環(huán)境下，沒有唯一的中心，可以讓所有節(jié)點共同參與隨機數(shù)的生成，
可以有效的保證隨機數(shù)的公平性。但是在去中心化環(huán)境中，黑客可以更方便的對隨機數(shù)發(fā)起攻擊，從中獲得利益。到目前為止，區(qū)塊鏈隨機數(shù)的安全性仍然是一個需要突破的技術(shù)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(shù)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(shù)生成的缺陷遭到了黑客攻擊。
POS共識機制
區(qū)塊鏈是一種去中心化的分布式記賬技術(shù)，在去中心化的環(huán)境里，要實現(xiàn)正確的記賬，隨機的選出記賬人，是非常關(guān)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(quán)，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(shù)，隨機選舉出一個節(jié)點來進行記賬。
大多數(shù)POS協(xié)議都會根據(jù)持有者的代幣數(shù)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(shù)源。所以在許多POS共識機制中，隨機數(shù)是一個非常關(guān)鍵的技術(shù)。
真隨機數(shù)和偽隨機數(shù)
隨機數(shù)分為真隨機數(shù)和偽隨機數(shù)。真隨機數(shù)數(shù)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(fā)時間等，我們可以通過采集這些數(shù)據(jù)，獲得真隨機數(shù)數(shù)列。偽隨機數(shù)是通過獲得的真隨機數(shù)數(shù)列(通常稱作隨機數(shù)種子)，使用隨機數(shù)算法計算得來的。只要獲得隨機數(shù)種子，就能得到相同的偽隨機數(shù)數(shù)列。
所以真隨機數(shù)只存在真實的物理世界中，計算機中的絕大多數(shù)隨機數(shù)都是偽隨機數(shù)。想保證偽隨機數(shù)的安全，就需要有效的隨機數(shù)種子和安全的隨機數(shù)生成器。
區(qū)塊鏈隨機數(shù)的生成方式
區(qū)塊鏈是去中心化的系統(tǒng)，理論上，產(chǎn)生的隨機數(shù)比中心化系統(tǒng)會更公平，但是在去中心化環(huán)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(qū)塊鏈隨機數(shù)的安全性， 誕生了各種不同的隨機數(shù)生成機制。
VRF（可驗證隨機函數(shù)）
VRF(Verifiable Random Function，可驗證隨機函數(shù))是一種可驗證的隨機數(shù)
生成方式。目前主要是基于POS共識算法的區(qū)塊鏈項目在使用，包括Algorand、Cardano。
在Algorand、Cardano中，VRF是產(chǎn)生隨機數(shù)的關(guān)鍵。VRF可以根據(jù)任意的一個輸入，輸出一個隨機數(shù)。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(shù)的正確性，以及某隨機數(shù)是由某節(jié)點生成的。
VRF中主要包含四個環(huán)節(jié)：
生成公私鑰對
生成隨機數(shù)輸出
計算零知識證明
驗證隨機數(shù)輸出
生成隨機數(shù)的節(jié)點將自己的私鑰，作為生成隨機數(shù)的輸入的一部分，然后在本地輸出隨機數(shù)和零知識證明。其他節(jié)點可以利用生成隨機數(shù)的節(jié)點的公鑰、輸入、輸出，驗證隨機數(shù)和生成者身份的真假。
得到隨機數(shù)之后，就需要用生成的隨機數(shù)來挑選參與出塊的節(jié)點。最簡單的方式是在全網(wǎng)設置一個公認的臨界值M，假設某個節(jié)點生成的隨機數(shù)R大于臨界值M，系統(tǒng)就允許節(jié)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(xiàn)在大部分VRF抽簽方案都會基于權(quán)益進行票數(shù)分配，然后設計抽簽算法，完成后續(xù)的共識過程。
Randao
Randao基于區(qū)塊鏈技術(shù)，提供開源、去中心化、可證公平的隨機數(shù)生成服務。Randao的目標是滿足隨機數(shù)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(shù)的生成，保證隨機數(shù)具備可參與性，利用區(qū)塊鏈透明和不可逆的特點，保證結(jié)果的可證公平性。
Randao主要采用了Commit Reveal和BLS。 Commit Reveal其缺點主要是生成隨機數(shù)的速度較慢。在以太坊中，從接到隨機數(shù)生成請求，到生成隨機數(shù)，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(fā)送交易提交數(shù)據(jù)，其生產(chǎn)和使用成本較高。但該方案的優(yōu)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(shù)的生成過程，在防止串謀和可證公平方面擁有一定優(yōu)勢。
BLS 簽名方案是對Commit Reveal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(qū)塊的時間就能生成隨機數(shù);消費者發(fā)起隨機數(shù)生成請求，生產(chǎn)者在下一個塊寫入隨機數(shù)，只需要發(fā)送兩次交易就可以完成隨機數(shù)的生成和調(diào)用，生產(chǎn)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（Threshold Signature Scheme）
Dfinity是一個公鏈項目，目標是成為“互聯(lián)網(wǎng)電腦”，實現(xiàn)軟件和服務在其公有云的運轉(zhuǎn)。在Dfinity中，隨機數(shù)是整個共識機制正常運轉(zhuǎn)的核心，其采用的閾值簽名機制結(jié)合了VRF和BLS簽名機制，是生成隨機數(shù)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(shù)。閾值機制能夠保證的是，只要接收來自成員的輸入數(shù)量超過設定值，就可以得到一個確定的隨機數(shù)，但是在得到小于設定值的輸入數(shù)量前，沒有人能夠預測輸出的隨機數(shù)是多少。輸出隨機數(shù)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(jié)合了VRF和BLS，VRF使其生成的隨機數(shù)具備了可驗證性，BLS簽名機制使簽名過程中，沒有節(jié)點可以提前預知簽名結(jié)果，實現(xiàn)了隨機數(shù)的不可操控性，并且很難串謀，是一種不錯的隨機數(shù)生成機制。
NULSRNG
NULSRNG是全球開源社區(qū)項目NULS，根據(jù)其POC(Proof of Credit)共識算法，專門為DAPP設計的隨機數(shù)種子生成機制。
NULSRNG的實現(xiàn)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(jié)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(qū)塊頭中，同時獲取該節(jié)點上次出塊時生成的256位隨機種子明文。結(jié)合區(qū)塊頭中的明文和密文，就可以對節(jié)點生成的隨機數(shù)種子進行驗證，確保不可篡改。
NULSRNG基于底層共識實現(xiàn)，由全部共識節(jié)點參與，這樣的方式增加了節(jié)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?qū)崿F(xiàn)種子可驗證和不可篡改。
在NULS上開發(fā)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(shù)數(shù)列，不僅可以提高隨機數(shù)的安全性，同時使用上也可以做到靈活方便。
結(jié)語
1、在區(qū)塊鏈中，隨機數(shù)有著非常多的應用場景，隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，人們對區(qū)塊鏈隨機數(shù)的應用將會不斷增加;
2、在區(qū)塊鏈領域中，目前已經(jīng)有許多不同的隨機數(shù)生成機制，它們都有著各自的特點;
3、意識到隨機數(shù)的重要性，越來越多的技術(shù)團隊和項目方，開始研究更好的隨機數(shù)生成機制，未來將會有更多完善的區(qū)塊鏈隨機數(shù)生成機制產(chǎn)生。
