区块链中的随机数

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,以这样的方式保证胜出者是随机的。投入的算力能够体现在哈希值上, 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;
    • 验证对方的选择和之前的哈希一致;

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。
  1. 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。

  1. 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:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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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