在共識機制中如何應用區塊鏈的“隨機數”？

隨機性對於防止操縱和確保公平的區塊鏈共識機制至關重要，通常是使用加密哈希功能和VRF產生的。

2025/04/04 17:42

隨機性在區塊鏈共識中的作用

區塊鏈技術在很大程度上依賴共識機制來確保網絡的完整性和安全性。這些機制決定瞭如何將新的交易塊添加到區塊鏈中，其中許多機制中的關鍵要素是隨機數的產生。這種隨機性對於防止操縱和確保參與節點的公平性至關重要。沒有它，惡意演員可能會對區塊鏈的狀態產生不當影響。

不同的共識機制及其對隨機性的使用

幾種共識機制以不同的方式利用隨機性。讓我們探討一些突出的例子。

驗證證明（POS）：在POS中，驗證者是按比例選擇其持有的加密貨幣量的。但是，只需選擇最大的股份驗證器即可打開潛在操作的大門。因此，許多POS系統都將隨機性與選擇驗證器結合在一起。這種隨機性有助於防止單一強大的實體主導驗證過程。引入隨機性的特定方法變化，通常涉及加密哈希功能並阻止時間戳。

• 一種常見的方法涉及使用可驗證的隨機函數（VRF）根據驗證者的股份和其他因素生成隨機數。
• 另一種方法可能涉及使用當前塊哈希和驗證器的股權的組合來確定選擇的概率。

工作證明（POW）：雖然在選擇過程中沒有明確使用隨機數生成，但POW隱含地通過採礦過程本身依賴於隨機性。難度調整機制可確保找到有效塊的平均時間保持相對恆定。 “隨機性”來自尋找符合困難目標的哈希的不可預測的本質。這種固有的隨機性對於防止操縱和確保塊創造公平性至關重要。但是，與POS機制相比，這種隨機性的控制和可驗證較低。

隨機信標：一些區塊鏈項目採用專用的“隨機信標”，為各種應用程序（包括共識機制）提供隨機性的來源。這些信標使用加密技術來生成不可預測和可驗證的隨機數。目的是創建一個可信賴的隨機性來源，該來源對任何單一實體都可以抵抗操縱。在安全性和公平性最重要的系統中，這種方法尤為重要。強大的隨機信標被設計為對Sybil攻擊等攻擊具有抵抗力，其中單個實體控制許多節點。

• 通常，一個隨機信標將來自多個來源的輸入結合在一起，以增強其安全性和隨機性。
• 隨機信標的輸出可用於共識機制的各個方面，例如驗證器選擇或交易順序。

實施隨機性的挑戰

像區塊鏈這樣的分佈式系統中實施真正的隨機數生成帶來了重大挑戰。主要問題是確保所有參與者都可以隨機且可驗證。受損的隨機數發生器可能導致折衷的共識機制。

• 偏見：即使是精心設計的算法也可以表現出微妙的偏見，這可能會被惡意演員所利用。仔細的分析和測試對於減輕這種風險至關重要。
• 可預測性：如果攻擊者可以預測生成的隨機數，則可以操縱共識機制以發揮其優勢。加密技術對於防止這種可預測性至關重要。
• 可驗證性：所有參與者都必須能夠驗證生成的數字確實是隨機的，並且沒有被篡改。透明度和加密證明是實現此驗證性的關鍵。

加密哈希功能的重要性

加密哈希功能在生成區塊鏈共識機制的隨機數中起著關鍵作用。這些功能採用任何大小的輸入並產生固定尺寸的輸出，這實際上是不可能反向工程的。即使輸入不是輸入，輸出也會顯示隨機。此屬性對於確保生成數字的不可預測性至關重要。常用哈希功能的示例包括SHA-256和SHA-3。

可驗證的隨機函數（VRFS）

VRF是一種特殊類型的加密功能，可提供隨機性和可驗證性。它們允許單個實體生成一個隨機數，同時還允許其他實體驗證該數字是否正確生成，而無需操縱。該屬性在參與者需要信任選擇過程的隨機性的共識機制中特別有用。

隨機性差的安全含義

使用有缺陷或可預測的隨機數發生器可能對區塊鏈具有嚴重的安全性影響。它可以允許惡意演員：

• 控制塊的創建：通過預測隨機數，攻擊者可以對向區塊鏈增加新區塊的添加獲得不成比例的控制。
• 操縱交易順序：如果交易順序受到可預測的隨機數生成器的影響，則攻擊者可以優先考慮其交易而不是其他交易。
• 啟動拒絕服務攻擊：通過破壞隨機數生成過程，攻擊者可能會降低整個區塊鍊網絡。

常見問題

問：非隨機共識機制的後果是什麼？

答：非隨機共識機制可以導致集中化，其中一些強大的實體控製網絡。這破壞了區塊鏈旨在實現的權力下放和安全性的核心原則。它還增加了操縱和審查制度的風險。

問：如何在分佈式環境中確保隨機性？

答：通過諸如VRF之類的加密技術和組合來自多個來源（例如，塊哈希，時間戳和驗證器賭注）的輸入來確保隨機性，以使預測非常困難。目標是創建一個沒有任何實體可以影響結果的系統。

問：量子計算可以威脅區塊鏈共識中使用的隨機性嗎？

答：是的，未來的量子計算機可能會破壞目前用於生成隨機數的一些加密算法。對抗量子加密技術的研究正在進行中，以應對這種潛在威脅。向量子後密碼學的過渡對於維持區塊鏈共識機制的安全至關重要。

問：所有區塊鏈共識機制是否同樣依賴於隨機數生成？

答：否，對隨機數的依賴程度在不同的共識機制之間各不相同。與POW機制相比，POS機制通常更依賴於隨機性來進行驗證，該機制依賴於採礦過程的固有隨機性。但是，即使是POW機制也受益於在難度調整等方面的隨機性。