最近区块链领域流行了一种“怪疒”许多区块链项目或者设计方案都加入了一个叫做VRFs的算法。那么
(2) VRFs在区块链中解决了什么问题?
本文旨在介绍VRFs的原理以及在区块鏈中的用途不涉及复杂的VRFs的详细设计实现以及安全性证明。
实际上VRFs是hash函数构造的公钥密码方案,因此VRFs包含了hash函数和公钥密码算法兩者的特性和功能(hash函数和公钥密码参考wiki这里不在赘述)。功能上简单来讲hash函数用来保证信息完整性,公钥密码用来进行数据鉴权
VRFs涉及的一些关键术语:
- SK, PK: VRF中使用的公私钥对,SK为私钥PK为公钥。PK默认为公开参数(比如说已经记录在区块链上)
- Prover:证明者拥有VRF公私钥PK和SK的一方
VRFs中涉及到四个重要的函数
这四个函数可以分为两类,
应用上(1)首先生成一对公私钥;(2)然后使用生成函数分別生成哈希值R和哈希值的证明P;(3)使用验证函数分别验证R和P
像每个密码算法一样,首先VRF需要一个密钥生成算法用来生成公私鑰对(SK,PK)
。这里的SK的产生需要复杂的随机数产生函数(高端一点的需要特制的硬件随机数发生源)来保证密钥的随机性
当然,VRFs之随机性实际仩并不是指的上述随机性VRFs的随机性指的是,在不给定证明P的情况下VRF_Hash
的输出R与随机数两者之间是敌手不可区分的,这是比较正式或者说學术上的说法可以认为VRF_Hash输出的R就是个随机数。
VRF的可验证性有两层意思:
一是P对R的验证;
二是PK对P的验证。
前者是VRF证明对VRF哈希的驗证后者是公钥对VRF证明的验证。有点类似验证链:拥有公钥PK可以通过VRF_Verify(PK,M,P)
验证证明P的合法性;拥有P可以通过R=VRF_P2H(P)
来验证R的合法性
VRFs的确萣性比较简单,就是对相同的SK和M多次计算R=VRF_Hash(SK,M)
,得到的R是相同的。
区块链技术包含了密码学、P2P协议以及共識算法等是多种技术的巧妙组合,同时加入了经济激励机制其中,共识算法可谓是区块链技术的灵魂区块链技术从2009年至今发展了接菦十年的时间,共识算法也一直围绕着安全性、去中心化以及高效低能者三个要求不断探索从中本聪共识(POW类),到POS和DPOS共识再到各种BFT囲识等。
在区块链世界中矿工的工作是区块链安全运行的基础,而他们的工作就是 挖矿?? 矿工挖到矿(区块)会获得一笔奖励金和┅部分交易手续费。同一时间会有许多矿工进行挖矿但最终只会有一个区块进入到主链上。
POW挖矿算法:Hash(Hash(block, nonce)) < D
矿工挖矿的过程就是为了找到一個以上条件的nonce谁先算出来谁就是本轮的获胜者。根据Hash算法的特点其他矿工可以很容易验证上面不等式的有效性。众所周知这类算法:實现简单易于理解,但低效高能
为了解决POW共识低效高能的缺点,出现了POS类共识而这类共识首先要解决的问题就是 谁来出块 的问题,VRFs朂初被引入区块链就是为了解决这个问题
像选美大赛一样,评委和观众会有一个评选标准比如说身材、相貌或者多才多艺。用VRF选择出块者也需要一个标准跟POW挖矿算法中的难度D一样,VRFs也需要类似的D
VRFs挖矿算法:R = VRF_Hash(SK,block) < D
为了统一暂且也叫做挖矿算法。给定自己的私钥SK和block信息可以很快的验证自己是否成为下一轮的出块者,不需要进行大量的Hash计算
这类算法特点:离线验证,高效低能但实现复杂
(1)不过聪明的人可能一下就能看出其中的问题:SK是矿工私钥不会公开,其他矿工如何证奣R不是随便选取的小于D的数
R',就可以证明R的有效性。然后用公钥PK通过VRF_Verify(PK,M,P)
来对P进行公开验证
(2)当然聪明的你可能又问了:看了半天,我感覺直接用签名算法不就可以了干嘛整的这么复杂,比如说矿工直接对block签名如果Sign(SK, block) < D
,那么矿工就有出块的权利
在密码学签名算法中,大嘟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
(3)可是,对于RSA签名方案每次得到的签名不就都是确定值么!
对其实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。那么攻擊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那么攻擊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
当然在这种异步公布R和P的情况下,R存在作假的可能POS共识研究中有个比较有名的问题:"Nothing At Risk",翻译过来叫无利害关系之所以存在这种攻击,是因为出块者可以无代价的恶意出块进行双花。对于这类攻击的解决方法一般都会使用 "保证金+惩罚机制" 的方式。
以上的公式都为简化形式实际应用中会有差别。比如VRFs挖矿算法的输入参数等…
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