在区块链的世界里，从智能合约的抽奖、游戏道具的掉落，到共识机制的选择，随机数都扮演着至关重要的角色，一个公平、不可预测且可验证的随机数，是许多去中心化应用（DApps）得以公正运行的基石，在以太坊这样的公开、透明且确定性的账本上，生成“真正”的随机数却并非易事，以太坊随机数发生器（Ethereum Random Number Generator, RNG）成为了开发者们持续探索和优化的关键领域。

以太坊随机数的“困境”：为何难以生成？

与传统中心化系统不同，以太坊作为一个去中心化的区块链网络，其核心特性之一是“确定性”，这意味着，对于给定的输入和智能合约代码，网络中的所有节点都必须能够计算出完全相同的输出，这种确定性确保了交易和状态变化的一致性,避免了分叉和混乱。

随机数，尤其是密码学意义上的“真随机数”，其本质恰恰是“不可预测”和“非确定性”，如果智能合约可以直接生成一个完全随机且连合约自身都无法预测的数，那么这种确定性就会被打破,可能导致网络状态不一致。

以太坊原生提供的随机数来源，如区块属性（如blockhash、block.timestamp、block.number）和交易属性（如tx.origin、msg.sender）,都存在一定的局限性：

  1. 可预测性：区块哈希在区块被确认前是未知的，但一旦区块被确认，它就是确定的，而区块时间戳和号数更是递增且可预测的,攻击者可以通过控制或预测这些值来影响随机结果。
  2. 有限熵：这些属性的熵（不确定性）有限,不足以生成高质量的随机数。
  3. 时间依赖性：依赖未来区块信息的随机数在当前区块无法获取，而依赖过去区块信息的随机数则可能被“区块构建者”或“矿工/验证者”提前知晓并进行操纵，即“区块时间戳攻击”或“自私挖矿”变种。

一个简单的彩票合约如果直接使用blockhash(block.number - 1)作为中奖号码，那么矿工在打包区块时就可以计算出这个哈希值，并选择性地不包含某些对自己不利的交易，或者调整交易顺序以影响最终结果（尽管哈希本身不变，但依赖哈希的复杂逻辑可能被利用）。

以太坊随机数的“解决方案”：探索与实践

为了克服这些困境，社区开发者们提出了多种随机数发生器的方案,各有优劣：

  1. 链下随机数服务（Oracle-based RNG）：

    • 原理：将随机数的生成过程放在链下,通过一个或多个可信赖的预言机节点将随机数结果提交到链上智能合约。
    • 优点：可以获取高质量的随机数,因为链下可以使用真正的物理随机源或复杂的随机算法。
    • 缺点：中心化风险，如果预言机节点被攻陷或作恶，会破坏随机数的公平性，常见的如Chainlink VRF (Verifiable Random Function)，它使用密码学证明确保预言机无法预测或操纵随机数,在一定程度上缓解了中心化问题。

  2. 链上混合与承诺方案（Commit-Reveal Scheme）：

    • 原理：这是一个两阶段过程。
      • 承诺阶段：参与者提交一个加密的随机数承诺（通常是随机数的哈希值），此时随机数本身尚未暴露,无法被预测。
      • 揭示阶段：在之后的某个区块，参与者揭示其原始随机数，合约验证承诺与揭示的一致性后,再结合所有参与者的随机数生成最终结果。
    • 优点：避免了单一来源的随机数被提前操纵，安全性较高,去中心化程度好。
    • 缺点：过程耗时较长（需要至少两个区块），用户体验不佳，且存在参与者拒绝揭示随机数的“作恶”风险,需要设计惩罚机制。

  3. 基于未来区块的随机数（Future Block Based RNG）：

    • 原理：利用尚未被确认的未来区块的属性（如未来某个区块的哈希）作为随机源，在当前区块N中，承诺使用区块N k的哈希作为随机数，由于区块N k尚未产生,其哈希在N区块时是不可预测的。
    • 优点：利用了区块链的天然不确定性,去中心化程度高。
    • 缺点：延迟高（需要等待k个区块确认），且存在“区块构建者”攻击的风险，即恶意的行为者可以通过控制或预测未来几个区块的构建来影响随机结果，以太坊合并后，从PoW转向PoS,这种攻击的风险和表现形式也有所变化。

  4. 基于链上事件聚合的随机数：

    • 原理：聚合多个难以预测的链上事件，如多个交易发送者的地址、Gas价格、交易顺序、甚至多个预言机提供的数据等,通过哈希函数等组合成一个随机数。
    • 优点：去中心化程度高,难以被单一实体操纵。
    • 缺点：随机质量依赖于参与事件的多样性和不可预测性，设计复杂,且可能仍然存在被高级攻击手段操纵的可能性。

以太坊随机数的“：趋势与展望

随着以太坊的不断发展和DApp对随机数需求的日益增长,随机数发生器技术也在持续演进：

  • PoS下的随机性改进：以太坊从工作量证明（PoW）转向权益证明（PoS）后，区块生产机制发生变化，信标链（Beacon Chain）本身引入了更复杂的随机数生成机制（如RANDAO），这为构建更安全的链上随机数方案提供了新的基础,开发者正在探索如何更好地利用信标链的随机性。
  • 可验证随机函数（VRF）的普及：VRF因其能提供可验证的随机数且保证预言机无法预知或操纵的特性，越来越成为链下随机数服务的首选方案,被广泛应用于各种高安全要求的DApp中。
  • 去中心化预言机网络的成熟：以Chainlink为代表的去中心化预言机网络，通过多节点数据聚合、加密和经济激励机制,为链下随机数提供了更高的可信度和安全性。
  • 跨链随机性：随着跨链技术的发展,未来可能会出现从其他具有良好随机性特性的区块链获取随机数的方案。