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硬核科普:随机数与区块链

随机数是一个非常重要的密码学概念,近日MYKEY研究部门负责人姚翔老师做客PlatON社区,参加社区快闪活动,为社区讲解随机数定义与区块链中随机数方案及相关应用。

在参与抽奖或抽样的过程中,我们经常听到“随机数”这个词。随机数在密码学中有着非常基础且重要的地位,常用于密钥和安全参数生成。而在日常生活中,随机数也是保障公平性的重要手段,广泛应用于抽样、抽签、抽奖等场景当中。随机数在区块链中也应用广泛,除了密钥生成等传统安全场景,在共识机制、零知识证明等热门场景中也发挥着重要的作用,保护着区块链的安全。

然而,在实际的应用当中,由于对随机数的理解不到位,实现不严谨,引发了大量的安全风险事件。索尼、YubiKey等知名企业都曾出现过随机数生成器的严重缺陷,不得不紧急进行固件更新,虽然没有造成毁灭性后果,但造成的损失也难以评估。而在区块链上,由于开奖随机数可被预测,在近两年里直接造成了成百上千万资产的损失,可以说“历史总在重演”。

布伦特原油期货涨超4%,现报75.77美元/桶:布伦特原油期货涨超4%,现报75.77美元/桶。[2021/11/29 12:39:25]

看上去简单的随机数如此重要,又引发这么多问题。研究和开发人员必须理解它的原理和细节,才能避免在应用过程中犯错。

那么,什么是随机数?怎样判断随机数的质量呢?在区块链中一般生成随机数的方法又有哪些?

首先我们来说随机数是什么。随机数并不是一个具体的数,而是在通过随机数生成器产生的一个或一组数的序列。这个序列所能出现的元素来自确定的集合,每次选出的元素不可预期,但元素出现的概率恒定的(一般是等概率的)。譬如说扔一枚六面均匀的骰子,结果不可预期,但每个面的概率都是相等的,每次掷出的结果就可以作为一个随机数生成的方法。

波卡生态概念板块今日平均涨幅为6.13%:金色财经行情显示,波卡生态概念板块今日平均涨幅为6.13%。26个币种中19个上涨,7个下跌,其中领涨币种为:XOR(+32.09%)、EDG(+23.78%)、DOCK(+19.84%)。领跌币种为:KLP(-15.06%)、OM(-7.90%)、CRU(-2.04%)。[2021/2/3 18:48:47]

真随机数一般来自物理世界的随机行为,需要进行噪声搜集,而在计算机科学中,一般使用确定性的算法来模拟随机数的生成,也称伪随机数。对伪随机数的检测非常重要,全面、完备的检测可以避免算法缺陷或人为后门造成的风险。目前常用的随机数检测标准有 NIST SP 800-20和GB/T 32915-2016 等。

需要补充的是,在NIST这份标准提供的参考实现中,就曾被怀疑植入过后门。

Dual_EC_DRBG,目前该推荐实现已经被删除。而在即将召开的密码学重要会议Crypto 2020中,也有一篇对NIST CTR-DRBG这个随机数生成器的安全分析,指出了其缺陷并给出了修复方法。而在会议接受的论文里,研究随机性相关问题的论文多达6篇。这都说明随机数的问题并不简单,也马虎不得。

在区块链中,由于较难从物理世界中获取随机噪声,生成随机数的难度更大。

目前一般的思路是通过几种不同策略组合使用:一是通过多方协同生成;二是通过哈希函数等随机预言机引入随机性;三是通过承诺-揭示协议降低参与方作弊可能;四是引入门限协议或经济约束提高产生随机数的成功率。

多方协同产生指的是随机数的生成依赖多个参与方的输入,这样随机数就较难被单方操纵。

由于每个输入方的输入可能具有很强的规律性,随机性不足。需要使用随机化的函数,例如哈希函数对输入进行处理。可以将所有参与方的输入作为函数的输入参数,输出的结果作为随机数。

承诺-揭示协议主要是为了避免参与方作恶,参与方需要先将自己想输入的结果做一个承诺,一般也是通过哈希函数完成。承诺发布之后,参与方的输入就不能再修改了,但需要注意的是,他仍然可以选择不把承诺揭示。

引入门限协议,通过秘密共享或门限签名的方式,可以避免随机数生成方案因为一个参与方没有完整执行流程而失败,具备一定的容错性,提高随机数产生的成功率。引入经济约束,可以避免参与方通过拒绝揭示的方式影响随机数结果,对恶意的参与方进行惩罚。

安全多方计算技术正是产生高质量的链上随机数的重要基础技术。运用安全多方计算技术,可以让多方不可抵赖地协同生成随机数。PlatON基于安全多方计算技术可以更好地为链上随机数提供解决方案。

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