Solidity随机数发生器原理与实现

╰+攻爆jí腚メ 2022-08-29 05:51 249阅读 0赞

## 1、什么是随机数 ##

想象一下你身边的随机噪音或者任何随机发生的事情，可以说检测到这些随机模式 的概率为0。这就是随机数的意思 —— 一个可以生成指定范围内的任意不确定 数字的模式。

当我这么说的时候，考虑一下1~100之间的某个数。由于不确定性，我 猜不出来你的脑子里现在想的是哪个数。

随机数是从某个特定分布中选中的数，通常也会要求这些数之间彼此独立， 这样在前后两个数之间就不会存在相关性。计算机生成的随机数有时会 称为**伪随机数**，这一术语中保留了**随机**，表示其不可预测性。当没有额外 的约定时，通常随机数采样自均匀分布。当然也可以使用其他的概率分布， 例如，Box-Muller变换可以将一对满足均匀分布的随机数转换为一个二维 正态分布。

## 2、什么是伪随机数 ##

**伪随机数**也被称为确定性随机位。这些数是使用被称为**伪随机数发生器/PRNG** 的计算机算法生成的，它们是确定性的，因此并不是真的随机，这些伪随机数 在经过一定的序列之后可能会重复。

为了生成随机数，我们需要使用一个数来初始化算法，这个数被称为**种子/SEED**。 通常使用补齐的系统时间作为种子，为了确保这些伪随机数有足够的随机性， 我们会加一些**盐/SALT**或**糖/SUGAR**—— 可以将它视为你的伪随机数的密码 —— 以避免哈希 碰撞，也就意味着会生成重复的数。

## 3、区块链上如何实现伪随机数发生器 ##

从前面的描述中，我们知道计算机里的随机数并不是真的随机，并且至少需要 一个系统时间来初始化算法，如果你要用它来开发某些有很强的随机要求的应用， 例如博彩游戏、计算机仿真、密码学等，这就有可能发生哈希碰撞。

这就是为什么在区块链上基本上不可能生成随机数的原因，我们需要获取 区块时间或区块哈希之类的作为种子，由于早期第一代和第二代区块链的出块 速度很慢，那么发生哈希碰撞的机会非常大。

但是，第三代的区块链已经可以达到很快的出块速度了，比如0.5~1秒，这样 我们就可以利用区块时间戳或区块哈希来初始化伪随机数发生器。

## 3、Solidity随机数发生器 ##

下面的Solidity合约代码展示了如何在以太坊区块链上实现一个Solidity随机数发生器。

你可以说这是一个**真随机数发生器/TRNG**，因为我们没有使用算法 来生成随机数，而只是将区块时间与种子、盐、糖组合后计算哈希。我们 选择的这三个值可以是相同的并且是确定性的，但是区块哈希是不确定性的。 下面的代码支持以太坊、波场或其他任何支持Solidity的第三代区块链：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>1
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</pre> </td> 
   <td> <pre>pragma solidity ^0.5.8;

/**
 * @title True random number generator
 * @notice This is a contract to generate a true random number on blockchai.
 * Though true random number generators doesn't require seed. But, to simplify
 * the functions i used seed and other terms used in PRNGs,
 * seed should be enough to generate a random number, but to randomize the pattern
 * even more i added two more functions with salt and sugar.
 */
contract PRNG {
    /**
        * @notice Generates a random number between 0 - 100
        * @param seed The seed to generate different number if block.timestamp is same
        * for two or more numbers.
        */
    function importSeedFromThird(uint256 seed) public view returns (uint8) {
        uint8 randomNumber = uint8(
            uint256(keccak256(abi.encodePacked(block.timestamp, seed))) % 100
        );
        return randomNumber;
    }

/**
     * @notice Generates a random number between 0 - 100
     * @param seed The seed to generate different number if block.timestamp is same
     * for two or more numbers.
     * @param salt The salt to randomize the pattern
     */
    function importSeedFromThirdSalt(uint256 seed, uint256 salt)
        public
        view
        returns (uint8)
    {
        uint8 randomNumber = uint8(uint256(keccak256(abi.encodePacked(block.timestamp, seed, salt))) % 100);
        return randomNumber;
    }

/**
     * @notice Generates a random number between 0 - 100
     * @param seed The seed to generate different number if block.timestamp is same
     * for two or more numbers.
     * @param salt The salt to randomize the pattern
     * @param sugar The sugar same as salt but for more randomization
     */
    function importSeedFromThirdSaltSugar(
        uint256 seed,
        uint256 salt,
        uint256 sugar
    ) public view returns (uint8) {
        uint8 randomNumber = uint8(uint256(keccak256(abi.encodePacked(block.timestamp, seed, salt, sugar))) % 100);
        return randomNumber;
    }
}
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

在上面的合约中，我们实现了三个函数，分别使用不同的参数生成Solidity随机数：

*  importSeedFromThird：只需要种子的Solidity随机数发生器
 *  importSeedFromThirdSalt：需要种子、盐的Solidity随机数发生器
 *  importSeedFromThirdSaltSugar：需要种子、盐、糖的Solidity随机数发生器

`abi.encodePacked`以不对齐的方式将数据打包。 `eccak256`哈希函数和`sha3`类似，只是采用不同的补齐模式，具体可以参考[这里][Link 1]。

因此，在上面的函数中，我们实际上将包含时间、种子、盐、糖的数据进行了编码 从而获得更强的随机性，并尽可能让随机数不可预测。 当然我们可以从上面函数实现中删除时间戳，但是这样的话，我们就 完全控制了随机数的发生，从而破坏了区块链的透明特性。

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原文链接：[Random Number Generation on Blockchain][]

[Link 1]: https://crypto.stackexchange.com/questions/15727/what-are-the-key-differences-between-the-draft-sha-3-standard-and-the-keccak-sub
[Random Number Generation on Blockchain]: https://medium.com/gammastack/random-number-generation-on-blockchain-d3141e1efc2