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小明进修笔记 一文看懂可验证随机函数VRF


更新时间: 2019-04-15

  黄祺总结,可验证随机函数一共包含四个函数:1、生成密钥,生成一个公钥私钥对;2、生成随机数输出;3、计较零学问证明;4、验证随机数输出。

  多个 slot 为一个 epoch,权益的计较是以每个 epoch 起头前的汗青来计较,也就是说正在这个 epoch 中所发生的权益变化不影响当前的这个 epoch 中的 slot 的出块者的选择和其他和汗青相关的工具。当前 epoch 中所发生的这些汗青只能正在当前的 epoch 中生效。

  若不是本人出块,则期待出块者出块并。收到这个块的时候就进行和bitcoin雷同的查抄,如果长时间未收到(超出这个slot的时间)则会认为这个slot的块烧毁。

  从链的实正创世块起头,硬编码进入了一些公钥和这些公钥vk对应的权益s及初始的种子ρ,之后,这个epoch会采用这些根本消息继续运转。

  来暗示按照权益占比为概率从stakeholder候选人选出该slot的出块者U。留意正在论文中只是定义了这个函数具有如许的感化,正在Cardano中利用了 “follow-the-satoshi(fts)” 算法(fts具有论文中定义的这个函数的性质)来选出这个slot leader也就是出块者。

  So,通俗 RO 正在私钥 + 零学问证明的感化下,抽签过程就能够正在当地进行、不公开私钥同时又能够全网验证。

  如图所示,施行流程如下:(注:我并不这个流程是完全合适Cardano源码的实现(终究我没看过),可是是合适论文的描述的):

  每个 epoch 的开首有个 genesis block(留意是每一个 epoch,不是整个链),这个 genesis block 不会上链 (整个链初始的阿谁 genesis 会,当然这一点能够按照实现本人决定),而是当前这个节点(矿工) 本人正在内存中生成,这个 genesis block 会记实好当前这个 epoch 中的可能参取出块的 stakeholder 的候选人,及一个随机种子ρ。

  编者按:区块链涉及到的手艺良多,从互联网底层到不明觉厉的暗码学,可是往往关心币价者多而研究手艺的人少。牛市的时候,大师为了炒币也会勤奋进修,熊市的时候,归正也没啥事,我感觉能够愈加勤奋进修。做为一个文科生,我当然会有良多理科生看起来感觉很痴人的问题。做为一个记者,我不难找到业内懂的人用人话给我注释,并且他们往往不会当面嫌弃我。

  VRF 的体例是,让各个节点本人抽签,若是抽中了之后,大师能够很容易地验证这个成果确实是你生成的。具体过程有可能是如许的:假设现正在是 round 10(第 10 轮),节点们可能会轮番抽签,以节点本人的私钥 + 一个全网都晓得的随机数(好比是这轮的轮次 10)做为输入,生成了一个随机数(0-100);设置一个前提:100 个节点轮番抽签,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,可是只要 5 号晓得其他人不晓得,因而他正在这个随机的同时还需要一个零学问证明。通过零学问证明,全网只需要通过 5 号的公钥就能够验证,接管 5 号为这轮打包者。

  Slot Leader Selection 是指按照权益占比选择按概率选择出当前 slot 的出块者。指代的是正在当前的 epoch 中,按 genesis block 中记实的 stakeholder 候选人的权益别离占用的比例为这个 epoch 中的每一个 slot 选择出块者的概率(留意这个概率是事务,也就是有可能正在统一个 epoch 中反复选出不异的人)。正在论文顶用函数

  secure multiparty computation (MPC) MPC和谈,参取者利用一种能告竣MPC的暗码学和谈来参取生成下一轮epoch的随机种子ρ,这个MPC和谈必需是guarantee output delivery(G.O.D,下文会注释)。这个随机种子ρ是用于Slot Leader Selection中的。

  这么一想,你会很容易大白为什么有那么多新型的共识算法都用到了 VRF,其实它们想达到的目标跟 POW 的答题过程有点像,都是为了找到随机而又平安地抽取出块节点。POW 被诟病的问题是功耗大和机能低,可是平安鸿沟较着,并且比特币运转已久都没有大问题。POS 共识算法本身不需要大量算力,VRF 可又以正在当地抽签,所以 POS 共识算法用 VRF 的益处是功耗比力低,并且最新的算法,验证零学问证明的速度曾经很是快。有不少出名的公链项目都用到了 VRF,包罗本体、Cardano (共识算法为 Ouroboros,曾经迭代了 uroboros、Praos 和 Genesis 三个版本)、Dfinity 和 Algorand。

  正在区块链中,大部门的共识算法,无论是 POW、POS,或是由他们衍生出来的 DPOS,都需要选出一堆或者一个节点来参取共识或者打包区块,这个过程虽然会有持币环境、设备设置装备摆设、诺言等各类要素影响,但必需是随机的、无法被预测的。这时候就可能会用到随机算法。

  按照所手艺公司的朱立注释,Algorand 和 Dfinity 的共识算法顶用 VRF 的套大要是如许的:输入值由前一个随机数(最后的随机数倒是和谈给定的)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(或者是先签名再组合),最初哈希一下得出最新的随机数。他认为:

  正在 BFTF 的分享沙龙上,黄祺注释,可验证随机函数能够看做是一个随机预言机(Random Oracle,RO),就是能够通过肆意的一个输入,获得一个随机数输出。可验证随机函数比随机预言机多了一个非交互的零学问证明,能够用来该随机数输出的准确性,表白这个随机数简直是某小我生成的。

  若发觉是本人出块,则施行打包买卖等等操做,和bitcoin没有太大区别,可是除了根本工做之外,还会生成一个随机数,可是这个随机数不放到链(块)中,而是放一个许诺(后文注释)。

  看完的之后,我们大要能够大白,VRF 的目标就是要生成一个实正随机并且无法被预测的值。正在区块链选出块节点的过程中,为了平安,随机是一个根基要求。不外,区块链选节点不纯真是随机就 OK 的,还要考虑到成本等,所以共识机制往往插手算力和持币权益等影响要素,以添加者的成本。若是纯真利用随机算法,就很容易遭到女巫,者能够廉价找大量的傀儡机(肉鸡)来添加本人抽中的概率。

  话说这篇小明进修笔记实的拖了太久,本来正在设想中就是出格短的一篇,可是因为云栖大会、公链 101 等各类栏目和编纂部琐事,实正在是曾经变成了 “小明更新笔记日,例会无忘告从编” 了。

  由这些 epoch 跟尾而成的链就是由 Ouroboros 共识发生的链,这个链的根基属性和 Bitcoin 不异(如每个块包含上一个块的 hash 等等)。

  VRF 的前往成果能够用来公开完成节点或节点群体的选择,也能够私密地完成选择。以 Dfinity 为例,它是操纵 mod 操做来独一、公开地确定一个 Group。Algorand、Ouroboros Praos 是私密选择的典范,大致套是对 VRF 的最新前往值,配上轮次等变量后用私钥进行签名并哈希,若是哈希值小于某个阈值,节点就能够私密地晓得本人被选中。这种方式很可能正在收集节点数较多时的表示会更不变,不然幸运儿个数上下波动会较大,进而影响和谈表示,包罗空块和分叉。”

  VRF正在区块链范畴的使用大致如上,不外正在如上场景有没有更好的处理体例,或者这个手艺还能用正在什么场景,仍是值得会商的问题。前往搜狐,查看更多

  VRF 这个东东,正在不少区块链项目中城市听到,比力火的 Algorand 和 Dfinity 的共识机制都用到了它。它的全称叫 Verifiable Random Function(随机可验证函数),那它跟一般的随机函数有什么分歧?有什么用,为什么区块链需要用到 VRF?此次被我的是资深全栈工程师黄祺,他曾正在 BFTF 区块链知享会中引见区块链中 VRF 的使用。

  stakeholder 是权益持有者,也就是潜正在矿工,正在 Cardano 的实现中权益 stake 并不是间接指代有几多 Ada,而是和有几多 Ada 相联系关系(更细致的我不是很清晰),同时要成为一个 stakeholder 需要有 2% 的 Ada 才行。当然论文中不关心这些,间接定义了 stakeholder。而 stakeholder 并不必然要参取出块,只要记实正在每个 epoch 的 genesis block 中的 stakeholder 才能参取当前 epoch 中 slot 的出块,所以记实正在每个 epoch 中的 genesis block 中的 stakeholder 叫做 “stakeholder 候选人”

  这里的问题是,因为输入对应的输出必定是不异的,而输入是公开的,就使得每一轮的抽签成果变得能够被预知,者能够测验考试节制这个过程或者特定的节点。可是若是输入不公开的话,我们要怎样这个输入成果没有问题呢?VRF 就用到了零学问证明,让成果“可验证”。

  这是小明进修笔记第四期,进修的是VRF。之前第一期进修的是虚拟机(《小明进修笔记 一文看懂区块链跨链机制》),第二期是跨链(《小明进修笔记 一文看懂区块链虚拟机》),第三期《小明进修笔记 一文看懂互联网TCP/IP和谈》,之后想进修有开源汗青和文化等。若是有其他风趣问题,欢送和提问。

  正在本人的内存里记实好这个ρ及下一个epoch参取的stakeholders,下一个epoch周期,进入2的流程。

  正在整个epoch的过程中会产出一个正在这个epoch参取出块者们(slot leaders)都配合认同的随机种子ρ。

  每个 slot 只能发生一个块,若这个块有问题,或者该当产出这个块的“矿工”(也就是 stakeholder 的候选人)不正在线,或者产出的块没有给大大都人,那么这个 slot 是当做烧毁的,也就是会跳过这个 slot 的块。

  举例申明一下,假设某公链收集用通俗的 RO 选节点,有可能是如许的环境:假设全网有 100 个节点,我想生成下一轮一个节点谁打包,我以某一轮的轮次做为输入,然后随机输出的值必需如果正在 1-100 之间的天然数(由于收集中只要 100 个节点)。这就每一轮都选出了一个打包节点的人。

  分歧的项目用到 VRF 的分歧点次要正在于是怎样发生一起头的输入,以及输出要怎样用。以下是 VRF 正在一些项目中的感化:

  每个节点本人运转代码,按照当前epoch的种子ρ,施行F(好比 follow-the-satoshi),把genesisblock中的权益,ρ和slot的index做为输入,按照概率获适当前这个slot该当由谁出块。

  “如许发生的随机数旁人很容易验证其合乎算法,V 就如许获得了;而哈希前往值又是随机分布的,“R” 也因而获得。正在此过程中,为降低成果的可能性,有两个留意事项:A) 签名算法该当具有独一性,也就是用统一把私钥对同样的消息进行签名,只要一个签名能够通过验证——通俗的非对称加解密算法一般不具备这个属性,如 SM2。若是用的签名算法没有这种 uniqueness 属性,那正在生成新随机数的时候就存正在通过频频多次测验考试签名以挑出最有益者的余地,会降低平安性。B) 避免正在生成新随机数时将当前块的数据做为随机性来历之一,好比援用本块买卖列表的 merkle root 值等等,由于如许做会给出块人测验考试变动打包买卖挨次、测验考试打包分歧买卖以发生最有益的新随机数的余地。正在设想和新的共识算法时,以上两个留意事项是要出格寄望的。

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