在区块链上使用Solidity生成一个随机数

随机数

在区块链上，随机性是棘手的，因为区块链是确定性的，而随机性需要非确定性（否则它会变得可预测）。本文假设用户对 solidity 有一定的了解，特别是对操作 block.number()、block.hash() 以及数字签名的理解。

如果你使用 block.timestamp 或前一个 blockhash 这样的数据，那么某人可以利用智能合约预测交易是否会导致预期的结果。Capture the ether 有一系列黑客挑战考验你在这方面的能力。

如果你需要随机数，可以考虑一些设计模式。

提交-揭示

尽管区块链交易在执行时是完全确定的，但无法预测未来。具体而言，未来的 blockhash 是无法预测的（有下文描述的警告）。

大致流程如下：一笔交易提交，将当前块 n 的 20 个区块后的 blockhash 设为随机数。由于你无法预测块 n + 2 的 blockhash（其中 n 是当前块），因此 block n + 20 被视为随机。

你可以回溯 256 个区块以获取哈希函数，因此用户必须在块 n + 20 和 n + 276 之间启动车第二笔交易。第二笔交易就是揭示。当然，用户可以看到随机数是否对他们有利，因此应用必须配置成平衡用户的激励，让他们在有利时发送第二笔交易。

例如，如果 blockhash 是偶数，则公平的掷硬币会支付给用户。如果用户看到 blockhash 是奇数，他们就不会进行第二笔交易，但他们反正也不会赢得任何东西。要获胜，blockhash 必须是偶数，只有这样他们才会费心发送第二笔交易。

这个方案可能会被区块生产者篡改。尽管区块生产者无法强制生成一个确切的哈希值，但他们可以重排序交易，直到 blockhash 产生偶数（或其他对他们有利的数字）。

你可以通过让用户在块 n 提交一个秘密数的哈希来防御这种行为。在块 n + 20 时，用户揭示哈希的预影（pre-image），并将该预影与 blockhash 连接。将这两个值连接后进行哈希计算，得到的哈希作为随机数。

区块生产者无法知道哈希的预影，因此他们无法篡改它。但这仍然不是针对区块生产者的抗篡改方案。

如果区块生产者参与彩票，他们可能会提交一个已知的秘密数字，然后篡改 blockhash，使最终结果对其有利。

目前以太坊已转向权益证明，这种攻击更难实行，因为恶意生产者必须在揭示的确切区块中成为区块生产者。

但如果你想防范恶意区块生产者，应该使用 chainlink VRF（下一章将描述）。

具备经济实力的攻击者如果有足够的动机，可以利用此方案。例如，我们在 blockhash 为偶数时支付给玩家。攻击者可以通过高 gas 交易淹没网络，以阻止在块 20 和 276 之间的揭示交易。请记住，如果回溯超过 256，则 blockhash 产生零。对攻击者而言，这将非常昂贵，但仍然是一种可能的攻击方式。

Chainlink VRF

关于如何使用 Chainlink VRF（可验证随机函数）生成随机数，网上已有大量文章。它们的 文档 非常好，易于理解。以下是其运作原理的简要概述。

智能合约请求随机数调用 chainlink 智能合约，并支付一些 LINK 以覆盖费用。

Chainlink 将接受请求，并等待指定数量的区块，然后回调请求随机数的合约。Chainlink 生成随机数的算法是透明的，因此任何人都可以验证它是以公平的方式创建的。

Chainlink 不能在一次交易中完成此操作，否则恶意玩家可以在结果不满意时撤回交易。

由于可能发生链重组，应用指定回调应该在更远的未来进行，以适应高价值使用案例。

Chainlink 启动第二笔交易，因此这避免了用户授权第二笔交易的麻烦。然而，这种便利性也是有代价的，因为用户不仅必须支付 gas 费用，他们（或应用）还必须支付 LINK 代币以使用该服务。

离线签名

我必须感谢与 gaspack.xyz 的对话，他们提出了这个想法的核心。

上述解决方案有一个明显的用户体验问题，即它们需要某种延迟，并可能需要两次交易。在区块链游戏中，玩家可能不喜欢这种延迟。

如何在不创建易受攻击的智能合约的情况下实现这一点？

一种半去中心化的获取随机数的方法是让离线随机数生成器创建 并加密签名 随机数、发送者和未来的块号。

这个随机数将与未来的 blockhash 连接，生成的字符串将被哈希。这产生了随机数。负责分配奖励的智能合约验证发送者和块号的签名。

即使离线随机数生成器的随机性不完美，或者稍微恶意，也无法预测未来的 blockhash，也不知道它的随机数将与什么连接。由于签名仅在特定区块有效，玩家无法等待一个有利的区块再掷骰子。

这个方案可能存在以下三种弱点：

1. 矿工同时控制随机数生成器并在指定时间内是区块生产者。只要区块生产者和随机数生成器不合谋，这个方案就是安全的。
2. 随机数重复产生相同的数字。在这种情况下，矿工很容易预测他们应该如何篡改哈希。
3. 需要有方法让玩家避免接收多次随机数，因此他们可以进行多次尝试直到结果有利。这必然需要某种离线限流，这可能会降低透明度和安全性。

通过进一步去中心化随机数生成器，可以在一定程度上缓解这些缺点。例如，你可以使用比特币网络上的区块哈希作为随机数的来源。这将使如果发生可疑行为变得透明。

最初发表于 2022 年 12 月 2 日

• 原文链接： rareskills.io/post/gener...
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