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VRF可验证随机函数

Why VRF?

场景

在区块链场景中,有的框架会用算法随机产生出块节点与验证节点(如Algorand),甚至解决分叉。按传统的随机算法,按一定的哈希规则随机轮询,选出一个节点来记账/验证。如果这个随机轮询的规则是谁都可以复现的,那么可以推测出将来的某个记账/验证节点,集中攻击它。
为了解决这个问题,就引入了VRF,只有自己能够完成这个哈希过程,而别人只能在他声明之后验证这个过程,防止有人可以提前推测出将来的记账节点。

POS中的权益研磨(Grinding)

(以下来源于以太坊Github上的《Proof of Stake FAQ》)
在任何基于区块链的权益证明算法中,都需要某种机制,来随机从当前活跃验证者集合中选择能够产生下一个区块的验证者。举个例子,如果当前活跃的验证者集合由持有40以太币的Alice,持有30以太币的Bob,持有20以太币的Charlie与持有10以太币的David组成,那么你想让Alice成为下一个区块的创建者的概率为40%,而Bob的概率为30%等(在实践中,不仅要随机选择一个验证者,而是要(随机产生)一个无限验证者序列,只有这样如果Alice不在线的时候,就可以有其他人在过段时间替代她,但是这并没有改变问题的本质)。在非基于区块链的算法中,出于不同的原因也经常需要考虑随机性。
(以下来源Ouroboros白皮书《Ouroboros: A Provably Secure Proof-of-Stake Blockchain Protocol》)
基于PoS的区块链协议最基本的一个问题就是模拟领导者选举过程。为了在股东们之间的选举达到一个真正的随机性,系统中就必须要引入熵(entropy),但引入熵的机制可能会容易被敌手操作。例如,一个控制一群股东的敌手可能会试图模拟协议的执行,尝试不同的股东参与者的顺序以此来找到对敌对股东有力的继续者。这会导致一个叫做"grinding"的致命弱点,敌对参与者可能会使用计算资源来倾斜领导者选举。

VRF的目的

VRF的目的就是要生成随机值,且无法被预测,同时还要可验证,可重放。

VRF是什么?

VRF是可验证随机函数(verifiable random function),一方面具有伪随机性,另一方面它还具有可验证性(输出包括一个非交互零知识证明)

  • 伪随机性
  • 可验证性
    VRF的方式是,实现本地抽签,各个节点自己抽签,如果抽中了之后,大家可以很容易地验证这个结果确实是你生成的。

eg. 假设现在是round 10(第10 轮),节点们可能会轮流抽签,以节点自己的私钥+ 一个全网都知道的随机数(比如是这轮的轮次10)作为输入,生成了一个随机数(0-100);设置一个条件:100 个节点轮流抽签,谁先抽出来的随机数大于10,就是这一轮的打包者。假设5 号节点抽到了11,可是只有5 号知道其他人不知道,因此他在广播这个随机的同时还需要广播一个零知识证明。通过零知识证明,全网只需要通过5 号的公钥就可以验证,接受5 号为这轮打包者。图解如下:

VRF具体的操作流程?

  • 证明者生成一对密钥,PK、SK;
  • 证明者计算result = VRF_Hash(SK,info),proof = VRF_Proof(SK,info);
  • 证明者把result,proof,PK递交给验证者;
  • 验证者计算result = VRF_P2H(proof),True/False = VRF_Verify(PK, info, proof)

True表示验证通过,False表示验证未通过。所谓的验证通过,就是指proof是否是通过info生成的,通过proof是否可以计算出result,从而推导出info和result是否对应匹配、证明者给出的材料是否有问题。

抽签有没有必要用VRF?

相比随机预言机

  1. 普通哈希Hash(a)=b,所有人都可以重现,检验正确性;
  2. VRF是Hash(SIG(sk, a))=b,别人无法复现这个过程。但是可以拿b,pk,和中间信息验证b是跟a对应的。

    相比非对称加密

  3. 在密码学签名算法中,大都会引入随机性,也就是对相同信息的多次签名会得到不同的签名值,因此矿工可以不断对相同的输入SK和block,计算签名,以满足结果小于D。那么理论上任何人都会成为出块者,只要计算足够多次的签名。
  4. 有些非对称加密方式得到的随机数不是均匀分布的,如RSA
  5. 缺乏零知识,不管使用确定性签名还是随机性签名,都存在个安全隐患。就是一旦将自己的出块凭证公布,任何人都可以公开验证,包括攻击者。那么攻击者可以对出块节点进行攻击,使其不能出块。使用VRFs的方式,矿工只需要公布自己的R表明自己的出块权,当出完块的时候再公布P,那么攻击者就无法在出块之前知道谁具有出块权,因此也就无法实施针对性的攻击。

应用

  1. Consensus:共识算法中安全性
    VRF Sortition,Smart Contracts,例如本体,Cardano,Dfinity,Algorand等,不同点在于如何产生输入以及输出怎样用。VRF的返回结果可以用来公开或私密地完成节点或节点群体的选择。eg. Dfinity利用mod操作来唯一,公开的确定一个group。Algorand,Ouroboros Praos是私密选择,即计算出哈希值后,如果哈希值小于某个阈值,节点可以私密地知道自己被选中。

本体-VBFT共识算法:

  1. 根据VRF 从共识网络中选择备选提案节点,各个备选节点将独立提出备选区块;
  2. 根据VRF 从共识网络中选择多个验证节点,每个验证节点将从网络中收集备选的区块,进行验证,然后对最高优先级的备选区块进行投票;
  3. 根据VRF 从共识网络中选择多个确认节点,对上述验证节点的投票结果进行统计验证,并确定出最终的共识结果。
  4. 所有节点都将接收确认节点的共识结果,并在一轮共识确认后开启新的共识。

Algorand中:

  1. 先选打包者,选完打包者选委员会,委员会用BA*进行选区块。
  2. 输入值由前一个随机数(最初的随机数是协议给定的)和某种代表高度,轮次的变量进行组合,然后用私钥对之进行签名(或者先签名再组合),最后哈希一下得出最新的随机数。
  3. 条件:①签名算法应当具有唯一性;②避免在生成新随机数时将当前块的数据作为随机性来源之一。

Dfinity中:

交保证金提高门槛,并降低参与节点的数量,然后选打包者,选完打包者选公证人,对区块权重进行排序,选出区块。

Cardano的共识机制-Ouroboros Praos:

在根据Random seed选举slot leader时,通过VRF确保slot leader不被事先计算出来被攻击。


  1. IOST的高效分布式分配片
    使用了VRF来进行领头节点的选举,通过VRF得到随机数之后,会将结果进行广播,然后其他节点会进行统计,得到随机数值最小的作为分片领头节点。是一种交互式的选举方式。
  2. Key Transparency
    密钥管理系统,使消息传递在不相信服务端的情况下做到点对点的安全上的提升。
  3. DNSSEC
    DNS服务的安全性。

参考文献

  1. Randao可证公平随机数白皮书
  2. 一文看懂可验证随机函数VRF
  3. Ouroboros:一个可证明安全的PoS区块链协议 白皮书
  4. Proof of Stake FAQ
  5. 黄祺-区块链中VRF的应用及原理解析 视频资源
  6. Cardano(ADA)的共识算法Ouroboros
  7. 对可验证随机函数VRF的简明解释
  8. VRF wiki
  9. VRF原文
  10. VRF在区块链中的应用

原文链接:https://blog.csdn.net/shangsongwww/article/details/88797403

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