以太坊上的随机数生成,挑战/解决方案与最佳实践

在许多去中心化应用（DApps）中，随机数扮演着至关重要的角色，从游戏中的道具掉落、卡牌抽取，到彩票系统的中奖号码，再到区块链安全领域的密钥生成等，在一个所有交易和状态变更都对所有节点公开、且最终确定的区块链网络（如以太坊）上，生成真正“随机”且“不可预测”的随机数，却是一个看似简单实则极具挑战性的任务，本文将探讨在以太坊上生成随机数所面临的挑战，主流的解决方案及其优缺点,以及未来的发展趋势。

以太坊上生成随机数的核心挑战

在中心化系统中，随机数通常可以通过操作系统提供的伪随机数生成器（PRNG）结合一些难以预测的熵源（如系统时间、鼠标移动轨迹等）来生成，但在以太坊这样的去中心化环境中,主要挑战在于：

1. 透明性与可预测性：以太坊上的所有智能合约代码和交易数据都是公开透明的，如果一个随机数生成算法完全在链上执行，那么任何参与者都可以提前计算出即将生成的随机数，这为作弊提供了可乘之机，在彩票中，用户可以在提交自己号码前，先计算出开奖的“随机”号码,从而进行恶意投注。

2. 节点共识与确定性：以太坊作为一个状态机，要求所有节点对交易和智能合约的执行结果达成一致，这意味着智能合约中的任何给定输入，其输出必须是确定性的，如果智能合约内部使用了传统的PRNG（如基于区块哈希或时间戳），这些“种子”信息对于恶意参与者来说可能是可获取或可预测的,导致随机数结果被操纵。

3. 区块延迟与最终性：以太坊的交易需要被矿工打包进区块，并且需要一定的时间才能获得最终确定性，如果一个随机数依赖于某个未来的区块哈希，那么在区块被确认之前，其结果是未知的，但这段时间内可能存在不确定性或被恶意矿工利用的风险（通过拒绝打包对自己不利的交易来影响随机结果）。

主流的随机数生成解决方案

为了应对上述挑战，社区发展出了多种在以太坊上生成随机数的方案,大致可分为以下几类：

链上伪随机数（不推荐，仅作原理探讨）

这类方案试图完全在智能合约内部生成随机数,常见的方法包括：

• 基于区块哈希（Blockhash）：使用当前区块的哈希值或未来某个区块的哈希值作为随机数种子。
  • 优点：实现简单,无需额外依赖。
  • 缺点：极易预测，矿工可以在打包交易时知道区块哈希，从而提前得知随机数；对于未来区块哈希，存在“区块延迟”问题，且矿工可能通过控制区块包含的交易来影响结果（如果随机数对某个矿工不利，他可以选择不打包包含该随机数生成的交易，直到挖出一个对自己有利的区块）。
• 基于区块属性（如时间戳、区块号）：结合区块号、时间戳等信息进行哈希运算。
  • 优点：简单。
  • 缺点：这些属性都是公开且可预测的,安全性极差。

这类方案由于其固有的可预测性和安全性问题，不推荐用于任何对随机性要求较高的场景。

链下随机数与链上验证（Commit-Reveal Scheme）

这是一种更被广泛接受的方案,通过引入一个两阶段过程来提高随机性的不可预测性：

1. 提交阶段（Commit）：参与者（如彩票的投注者）在提交自己的选择（如号码）时，不直接暴露，而是将其哈希值（或使用加密承诺方案如Pedersen Commitment）提交到智能合约中,哈希函数的单向性确保了他人无法从哈希值反推出原始选择。
2. 揭示阶段（Reveal）：在截止时间后，参与者揭示自己的原始选择，智能合约验证其哈希值与提交阶段的一致性，并据此进行后续操作（如开奖），随机数可以由合约创建者、一个可信的第三方或通过某种链上方式（如多个参与者提交的随机数组合）生成。

• 优点：
  • 不可预测性：在提交阶段,他人无法知道参与者的具体选择。
  • 防作弊：参与者一旦提交哈希值,就不能再更改其选择。
• 缺点：
  • 需要两笔交易：增加了gas成本和用户操作复杂度。
  • 时间延迟：需要等待揭示阶段结束才能确定结果。
  • 中心化风险：如果随机数由单一可信第三方生成,仍存在该方作恶的风险。
  • 前端运行（Front-running）：在揭示阶段,恶意观察者可能根据揭示的内容进行抢先交易。

可验证随机函数（VRF）与链下报告

VRF是一种密码学工具，允许生成一个随机数，同时可以生成一个证明来验证该随机数确实是按照特定算法从特定输入生成的,而不会泄露输入信息。

• 工作原理：
  1. 一个拥有私钥的实体（可以是合约自身、DAO或一个可信的预言机）使用私钥和某个输入（如当前区块哈希）运行VRF,生成一个随机数和一个公开的验证证明。
  2. 该实体将随机数和证明发送到智能合约。
  3. 智能合约使用对应的公钥和证明来验证随机数的有效性和正确性。
• 优点：
  • 高安全性：随机数不可预测,且验证过程高效。
  • 即时性：一旦验证通过，随机数即可使用，无需等
    
    待多个区块确认（尽管证明本身可能需要一定时间上链）。
• 缺点：
  • 依赖可信实体：随机数的生成依赖于掌握私钥的实体，如果该实体被攻破或作恶，随机数安全性将受到威胁,通常需要结合去中心化的预言机网络或多签机制来管理私钥。

去中心化预言机网络（DONs）提供随机数

这是目前被认为最安全、最可靠的方案之一，通过多个独立的预言机节点共同生成和提交随机数,利用经济博弈和共识机制确保随机性的公平性和不可预测性。

• 代表项目：Chainlink VRF (Verifiable Random Function）、Drand等。
• 工作原理（以Chainlink VRF为例）：
  1. 智能合约向Chainlink VRF服务请求一个随机数。
  2. Chainlink网络中的多个预言机节点接收到请求，各自使用自己的私钥和请求的特定参数（如区块哈希）运行VRF,生成各自的随机数片段和验证证明。
  3. 预言机节点将各自的随机数片段和证明提交到Chainlink聚合合约。
  4. 聚合合约验证所有证明的有效性，并将所有有效的随机数片段通过特定的算法（如XOR或平均）组合成一个最终的随机数,然后将其返回给请求的智能合约。
• 优点：
  • 高度安全与去中心化：随机数由多个独立节点共同生成,单个节点作恶或被攻破难以影响最终结果。
  • 可验证性：每个节点的随机数都可以被验证,整个过程透明可信。
  • 高可用性与性能：成熟的预言机网络能提供稳定、高效的随机数服务。
• 缺点：
  • 依赖第三方服务：需要信任预言机网络的公正性和安全性,但通过去中心化设计大大降低了这种风险。
  • 成本：使用预言机服务通常需要支付一定的服务费用。

选择合适的随机数生成方案

在选择以太坊随机数生成方案时，需要根据具体应用场景的安全需求、成本预算、性能要求和用户体验进行权衡：

• 低价值、低风险应用：如简单的游戏道具掉落，可以考虑改进的链上方案（如结合多个未来区块哈希的复杂组合，但仍需谨慎）。
• 中等价值应用：Commit-Reveal Scheme是一个可行的选择,但需要注意其延迟和gas成本。
• 高价值、高安全性要求应用：如金融衍生品、彩票、NFT属性生成等，强烈推荐使用去中心化预言机网络提供的VRF服务，如Chainlink VRF,这是目前行业公认的最佳实践。

随着以太坊及整个区块链生态系统的发展,随机数生成技术也在不断演进：

• 更强的密码学原语：可能会有更高效、更安全的密码学工具被应用于随机数生成。
• Layer 2解决方案的优化：在Rollup等Layer 2解决方案上，随机数生成可能会有不同的挑战和机遇，例如利用Layer 2的特性设计更高效的随机数协议。
• 跨链随机数