区块链安全：随机数安全分析（上）教学文档

一、随机数基础概念

1.1 随机数分类

• 真随机数：通过物理随机过程生成（如骰子、转轮等），难以在计算机中实现
• 伪随机数：
  • 强伪随机数：难以预测，常用于密码学
  • 弱伪随机数：易于预测

1.2 随机数三大特性

1. 随机性：统计学上完全杂乱的数列，分布均匀且独立
2. 不可预测性：无法从过去数列推测下一个数
3. 不可重现性：除非保存数列本身，否则无法重现相同数列

1.3 随机数特性与分类关系

• 弱伪随机数：只需满足随机性
• 强伪随机数：需满足随机性和不可预测性
• 真随机数：需同时满足三个特性

二、区块链中随机数的特殊挑战

2.1 区块链随机数特点

• 分布式系统要求所有节点能获得相同随机数值
• 需要低延迟生成
• 结果需可验证、可共识

2.2 区块链随机数应用场景

• 抽奖活动
• 验证码
• Token生成
• 密码应用场景（生成密钥、盐值等）

2.3 随机数安全问题

• 随机性生成不应被任何个体控制
• 传统PoS方案使用链上数据（如区块哈希、时间戳）存在安全风险
  • 循环论证问题：区块信息由节点写入，又用于选举出块者
  • 作恶节点可能操纵随机数生成

三、区块链随机数生成方案

3.1 可信第三方参与生成

实现方式：

• 引入可信第三方为合约提供随机数
• 示例：Oraclize连接random.org获取伪随机数

优缺点：

• 优点：解决节点间随机数一致性问题
• 缺点：
  • 违背区块链去中心化理念
  • 第三方可信度问题
  • 被攻击风险

以太坊实现示例：

pragma solidity ^0.4.11;
import "github.com/oraclize/ethereum-api/oraclizeAPI.sol";

contract ExampleContract is usingOraclize {
    string public ETHUSD;
    event LogConstructorInitiated(string nextStep);
    event LogPriceUpdated(string price);
    event LogNewOraclizeQuery(string description);

    function ExampleContract() payable {
        LogConstructorInitiated("Constructor was initiated...");
    }

    function __callback(bytes32 myid, string result) {
        if (msg.sender != oraclize_cbAddress()) revert();
        ETHUSD = result;
        LogPriceUpdated(result);
    }

    function updatePrice() payable {
        if (oraclize_getPrice("URL") > this.balance) {
            LogNewOraclizeQuery("Oraclize query was NOT sent...");
        } else {
            LogNewOraclizeQuery("Oraclize query was sent...");
            oraclize_query("URL", "json(https://api.pro.coinbase.com/products/ETH-USD/ticker).price");
        }
    }
}

3.2 基础合约参与生成（分布式协作）

核心密码学概念：

1. 承诺与打开(Commitment & Open)：

   • 用户先做出选择并计算哈希
   • 交换哈希值（承诺）
   • 交换实际选择（打开承诺）
   • 验证选择与哈希一致

2. 秘密共享方案：

   • 将秘密拆分为n份分发给n个参与者
   • 只需k份(k≤n)即可恢复秘密（(k,n)门限方案）
   • 示例：直线方程y=ax+b可用于(2,n)共享方案

实现流程：

1. 多个参与者协作生成随机数
2. 使用区块链记录协议过程
3. 对作弊行为进行惩罚（记录在链上）

3.3 公共种子采集生成

实现方式：

• 使用公共区块信息作为随机数种子
• 智能合约根据种子生成伪随机数

安全隐患：

• 一旦攻击者知道算法和种子，可预测随机数
• 常见危险实现示例：

1. 使用区块高度：

bool won = (block.number % 2) == 0;

2. 使用区块哈希：

pragma solidity ^0.4.18;
contract CoinFlip {
    uint256 lastHash;
    function get() view public returns(uint256) {
        lastHash = uint256(block.blockhash(block.number));
        return lastHash;
    }
}

3. 使用时间戳和难度：

pragma solidity ^0.4.0;
contract random{
    function rand() public returns(uint256) {
        uint256 random = uint256(keccak256(block.difficulty,now));
        return random%10;
    }
}

特别警告：

• block.blockhash(block.number)总是返回0
  • block.number在执行时是未来区块
  • 只有交易被打包后，该区块才成为当前区块

四、安全建议

1. 避免单独使用区块信息（高度、哈希、时间戳等）作为随机源
2. 分布式协作方案更符合区块链理念但实现复杂
3. 使用第三方服务需权衡中心化风险
4. 任何随机数生成方案都应假设攻击者知道算法
5. 对关键应用（如资金相关）的随机数需特别谨慎

五、后续研究方向

1. 更安全的分布式随机数生成协议
2. 随机数生成中的激励机制设计
3. 随机数攻击检测与防御机制
4. 不同共识机制下的随机数生成优化

（注：本文档为"区块链安全—随机数安全分析"上篇，下篇将深入分析随机数代码实现、CTF竞赛题目和项目代码案例）