一文读懂可验证随机函数（VRF）
在密码学中，可验证随机函数（VRF）是一种随机数生成器（RNG），可以通过加密手段来验证随机性。可验证的随机数对许多区块链应用来说都是不可或缺的要素，因为这类随机数具有防篡改性和不可预测性，可以用来打造刺激的游戏体验，铸造罕见的NFT，并保障公平的结果。
本文将讨论什么是可验证随机函数，研究随机数在区块链上的应用，以及智能合约开发者如何利用Chainlink可验证随机函数（VRF）在dApp中获得安全的随机数来源。
什么是可验证随机函数（VRF）？
可验证随机函数是一种加密函数，基于数据输入生成伪随机数并附上一份证明，任何人都可以对其进行验证。
VRF的数据输入通常包含一对公钥和私钥（也称为“verification key”和“secret key”）以及一个seed。公钥和私钥是生成的，而seed则是选择的。将这些数值一起输入VRF，用私钥和seed来生成随机数。然后，VRF会生成一个随机数以及一份证明。最关键的一步是生成证明，因为用户可以通过证明来验证函数。而将私钥保密则可以确保随机数无法被预测。
可验证随机函数的关键特质都写在了它的名字里：
- 可验证——任何人都可以验证VRF生成的随机数是否有效，只需要查看证明并验证哈希计算结果是否正确即可。只有持有VRF私钥的人才能进行哈希运算，而任何持有公钥的人都可以验证哈希运算结果。
- 随机——对于不知道seed或不持有私钥的人来说，VRF输出的结果完全不可预测且概率均匀分布，没有任何规律可循。VRF输出的每个结果都拥有同样的概率，并使用seed和私钥，以独特的方式生成随机数。
- 函数——VRF使用数学算法来生成随机数以及证明。VRF将seed隐藏起来，以保障其不可预测性；同时，将随机数证明公开，以供所有人查看和验证。
VRF的发展历史
可验证随机函数这个概念是在1999年由知名计算机科学家和数学家Silvio Micali、Michael Rabin以及Salil Vadhan在论文中提出的。值得一提的是，Silvio Micali后来创建了Algorand区块链，Algorand在共识机制中也使用了VRF。
之后，VRF技术出现了一系列关键突破。2005年，Yevgeniy Dodis和Aleksandr Yampolskiy使用了抗碰撞哈希函数实现了更短的证明和密钥，因此提升了VRF的效率，并推动了这项技术的发展。2015年，Dennis Hofheinz和Tibor Jager使用椭圆曲线加密技术开发了可验证安全性的VRF。2019年，Nir Bitansky提出了VRF可以用一般原语构造，而不用简单的代数构造。如今许多VRF方案都建立在这些创新之上。
2020年，研究者提出了一种使用Lattice加密的VRF方案。这个方案的安全性足以抵御量子计算机发起的攻击，这意味着VRF将在未来仍是一项重要技术。
VRF的应用场景
大多数RNG都无法生成可以通过加密技术进行验证的随机数，因此这类RNG容易受到操纵，导致其应用场景受限。VRF如果能保障随机数的安全性，就可以解锁一系列关键的用例，其中包括：
- 网络安全——使用VRF保障域名系统（DNS）消息传输的安全性。
- 零知识技术——VRF可以用来打造零知识证明和零知识数据库。
- 非交互式抽奖系统——VRF可以为抽奖游戏保障公平、可验证且高效的结果。
- 可验证的交易托管机制——VRF可以支持自动托管服务，保障用户的匿名性。
- 区块链和智能合约——VRF已经成为了去中心化协议和应用重要的组成部分。
区块链中的VRF
包括Algorand、Cardano、Internet Computer和Polkadot在内的许多L1区块链都在共识机制中使用了VRF来随机选择出块节点。
另外，区块链智能合约开发者在开发应用时也需要随机数。然而，由于区块链网络具有高确定性，链上应用往往无法获得安全的随机数生成器。使用链上区块哈希生成随机数有可能被区块链矿工/验证者操控，他们可以放弃对他们不利的区块，重新“掷色子”，以改变随机数。而链下随机数则缺乏透明性，而且无法验证随机数是否公正且没有受到数据源或节点的操控。
稳健的随机数生成方案意味着随机数的公平性可以得到验证，所有参与者都拥有同样的概率，并且攻击者不太可能通过预测随机数来操纵智能合约。
Chainlink VRF
Chainlink VRF 是公平、可验证的RNG，可以满足上述需求，为智能合约提供具有加密证明的安全随机数，无法被预言机节点、用户或开发团队篡改。
Chainlink VRF可以为开发者带来以下好处：
- 不可预测性——Chainlink VRF无法被预测。由于在请求随机数时无法得知区块数据，因此任何人都无法通过预测随机数来提高自己的成功概率。
- 公平性——Chainlink VRF非常公平公正，因为随机数是均匀分布的，所有数字都有同样的概率被选中。
- 随机性——Chainlink VRF的随机性可以得到验证，因为其使用区块哈希作为seed来生成随机数，而区块哈希无法提前预知。
- 防篡改性——Chainlink VRF具有防篡改性，任何人，包括预言机、外部方或开发团队，都无法操纵随机数生成流程。
Chainlink VRF是用户和区块链之间的抽象层，可以帮助智能合约开发者访问安全的随机数来源。
Chainlink VRF采用了Goldberg的可验证随机函数（VRF），详情请查看这篇论文。Chainlink VRF会针对每一个随机数请求生成一个或多个随机数，并附上一份随机数的加密证明。这份证明会被发布到链上并在链上得到验证，验证通过后才会使用随机数。
Chainlink VRF的应用场景
Chainlink VRF目前正在为Web3生态中的众多应用提供安全的链上随机数来源，其中包括GameFi、DeFi以及NFT等项目。
ChainlinkVRF的应用场景包括：
- 为NFT分配随机属性——Chainlink VRF可以用来铸造特殊的NFT。比如，Axie Infinity使用Chainlink VRF为每个Origin Axie赋予随机属性。
- 公平地分配罕见NFT——Chainlink VRF可以证明NFT是公平分配的，且证明可以得到验证。比如，Bored Ape Yacht Club（BAYC）使用Chainlink VRF向BAYC NFT持有者随机分配变异血清NFT。
- 游戏结果无法预测——开发者可以利用随机数打造出更好玩的区块链游戏。比如，Blockmine使用Chainlink VRF在Next Card游戏中随机抽取卡牌。
- 公平地选出参与者——发放热门活动门票，抽取奢侈品预售的买家，以及选出热门公开发售活动的参与者。比如，Centaur使用Chainlink VRF选出链上公开发售活动的参与者。
- 随机选出中奖者——Chainlink VRF可以让用户验证中奖者的筛选流程是否公平公正。比如，PoolTogether是一个无损储蓄游戏，将用户存款放在一个资金池中，并每天和每周展开抽奖，将池子的收益随机分配给中奖者。
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总结
Chainlink VRF是区块链行业领先的安全随机数生成器（RNG），为智能合约和链下系统提供可验证且防篡改的随机数来源。
Chainlink VRF通过加密技术为开发者保障随机数的安全性和可验证性，帮助他们打造出更加开放、可访问且防篡改的系统。Chainlink VRF和智能合约将实现区块链的最终愿景，基于加密事实打造出更加强大的算法系统，取代当前基于信任的薄弱系统。
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