写在前面
上一节说了VRF（随机可验证函数）概述，由于VRF是与公钥密码学相结合的，自然少不了最常见的公钥密码学体制RSA和椭圆曲线EC。
本文开始讲基于RSA的VRF实现，关于RSA算法的知识如果不熟悉，可先参考文末“相关阅读”部分。
RSA-FDH-VRF
基于RSA实现的VRF记为RSA-FDH-VRF，满足可信唯一性，可信抗碰撞性和全伪随机性（trusted uniqueness", "trusted collision resistance", "full pseudorandomness"），关于些安全性要求，上一节均有所介绍。
VRF使用RSA签名，在输入alpha上计算证明P。RSA签名验证用于验证证明的正确性。VRF哈希输出R，只需使用所选哈希算法对证明P进行散列即可得到。
符号约定
(n, e) - RSA 公钥
K - RSA 私钥
k - RSA 模 n字节长度 (k < 2^32)
I2OSP - 非负整数转成字符串
OS2IP - 字符串转化为非负整数
RSASP1 - RSA 签名算法
RSAVP1 - RSA 验证签名算法
MGF1 - 掩码生成函数
这里着重说一下掩码生成函数的逻辑。
MGF1是基于散列函数的掩码生成函数，在RSA最优非对称加密填充一文中，提到的公共单向函数G其实就是掩码生成函数。这里详细讲一下其过程。
方法：MGF1 (mgfSeed, maskLen)
参数：
mgfSeed 掩码生成操作的目标字符串
maskLen 生成掩码长度，最多$2^{32}$
可选参数：
Hash 哈希方法
输出: maskLen长度的掩码
执行过程比较清晰，参照如下Python代码：
def mgf1(mgf_seed, mask_len, hash_type="SHA256"):
'''
Mask Generation Function based on a hash function as defined in Section B.2.1 of [RFC8017]
@Input:
mgs_seed - seed from which mask is generated, an octet string
mask_len - intended length in octets of the mask, at most 2^32 hLen
hash_type - the digest hash function to use, default is SHA1
Outout:
mask: an octet string of length mask_len
'''
hash_class = hashlib.new(hash_type)
# get hash length given hash function
h_len = hash_class.digest_size
# If maskLen > 2^32 hLen, output "mask too long" and stop.
if mask_len > 0x10000:
raise ValueError('mask too long')
# Let T be the empty octet string.
T = b''
hash_class.update(mgf_seed.encode(encoding='UTF-8'))
# For counter i from 0 to \ceil (mask_len / h_len) - 1
for i in range(0, integer_ceil(mask_len, h_len)):
# Convert counter to an octet string C of length 4 octets
C = RSA_FDH_VRF.i2osp(i, 4)
# Concatenate the hash of the seed mgfSeed and C to the octet string T
# T = T || Hash(mgfSeed || C)
# temp = (mgf_seed + C.decode(encoding='UTF-8')).encode(encoding='UTF-8')
# temp = b"".join([mgf_seed.encode(encoding='UTF-8'), C])
hash_class.update(C)
# T = T + hash_class.digest()
T = b"".join([T, hash_class.digest()])
# Output the leading maskLen octets of T as the octet string mask.
return T[:mask_len]
其中i2osp方法参考符号约定说明，不再赘述。
证明生成过程
方法：RSAFDHVRF_prove(K, alpha_string)
参数：
K - RSA 私钥 alpha_string - 原始消息 返回值: pi_string - 长度为k的证明字符串
执行主要过程:
-
one_string = 0x01 = I2OSP(1, 1)
-
EM = MGF1(one_string || I2OSP(k, 4) || I2OSP(n, k) || alpha_string, k - 1)
-
m = OS2IP(EM)
-
s = RSASP1(K, m)
-
pi_string = I2OSP(s, k)
-
返回 pi_string
证明验证过程
方法：RSAFDHVRF_verify((n, e), alpha_string, pi_string)
参数：
(n, e) - RSA 公钥
alpha_string - 原始消息
pi_string - 证明字符串 输出：
合法如果验证通过
执行主要过程:
-
s = OS2IP(pi_string)
-
m = RSAVP1((n, e), s)
-
EM = I2OSP(m, k - 1)
-
one_string = 0x01 = I2OSP(1, 1)
-
EM' = MGF1(one_string || I2OSP(k, 4) || I2OSP(n, k) || alpha_string, k - 1)
-
如果EM == EM' 则是合法证明，否则返回非法。
所用到的方法，符号约定中有所说明，具体实现各编程语言略有不同。
小结
本文主要介绍了VRF基于RSA公钥体制的实现，如果对RSA原理比较熟悉，那么就比较容易理解了。其中掩码生成函数在密码学中应用较多，后续还有可能提到。
完整的具体实现代码可参照：https://github.com/DreamWuGit/RSA-VRF
最近（其实一直都有）有朋友说我数学不好，看起来困难，所以不能坚持看下去，对此我只能说：
春种秋收，播种和收获不在同一个季节
我们很小的时候，什么都不会，各方面都不好，现在不也会了很多吗？靠的就是不断的学习，或者说，能否保持持续的学习状态，是一个人后天发展程度一个重要因素。
想要怯懦退缩，理由有千万个，想要前进，方法却少的可怜，可能只有一两个， 这是严重不对称的！
好了， 之前说了有两种VRF与公钥体制实现的方式，下一篇继续说另一种基于椭圆曲线公钥体制的VRF算法！
欢迎关注公众号：blocksight
相关阅读：
区块链中的数学-RSA签名过程！
区块链中的数学-RSA加解密原理
区块链中的数学-VRF（随机可验证函数）概述
区块链中的数学-Uniwap核心算法解析-完结篇
区块链中的数学-Uniwap核心算法解析（下）
区块链中的数学-Uniwap核心算法解析（中）
区块链中的数学-Uniwap自动化做市商核心算法解析（上）
