VRF在区块链中的应用

最近区块链领域流行了一种“怪病”，许多区块链项目或者设计方案都加入了一个叫做VRFs的算法。那么，

（1） 什么是VRFs？

（2） VRFs在区块链中解决了什么问题？

本文旨在介绍VRFs的原理以及在区块链中的用途，不涉及复杂的VRFs的详细设计实现以及安全性证明。

VRFs介绍

VRFs全称Verifiable Random Functions，也就是可验证随机函数。从名字上可以看出VRFs有三个重要的特点：

• 可验证
• 随机性
• 函数组

实际上，VRFs是hash函数构造的公钥密码方案，因此VRFs包含了hash函数和公钥密码算法两者的特性和功能（hash函数和公钥密码参考wiki，这里不在赘述）。功能上简单来讲，hash函数用来保证信息完整性，公钥密码用来进行数据鉴权。

VRFs介绍内容：

1. 关键术语介绍
2. VRFs之函数组
3. VRFs之随机性
4. VRFs之可验证
5. VRFs之确定性

关键术语

VRFs涉及的一些关键术语：

• SK, PK: VRF中使用的公私钥对，SK为私钥，PK为公钥。PK默认为公开参数（比如说已经记录在区块链上）
• M: 输入数据
• R：VRF哈希输出
• P：VRF证明
• Prover：证明者，拥有VRF公私钥PK和SK的一方
• Verifier：验证着，拥有VRF中的公钥PK

VRFs之函数组

VRFs中涉及到四个重要的函数

这四个函数可以分为两类，

• 生成函数：

R=VRF_Hash(SK,M)
P=VRF_Proof(SK,M)

• 验证函数：

R=VRF_P2H(P)
VRF_Verify(PK,M,P)

应用上，（1）首先生成一对公私钥；（2）然后使用生成函数分别生成哈希值R和哈希值的证明P；（3）使用验证函数分别验证R和P

VRFs之随机性

像每个密码算法一样，首先VRF需要一个密钥生成算法，用来生成公私钥对(SK,PK)。这里的SK的产生需要复杂的随机数产生函数（高端一点的需要特制的硬件随机数发生源）来保证密钥的随机性。

当然，VRFs之随机性实际上并不是指的上述随机性，VRFs的随机性指的是，在不给定证明P的情况下，VRF_Hash的输出R与随机数两者之间是敌手不可区分的，这是比较正式或者说学术上的说法，可以认为VRF_Hash输出的R就是个随机数。

VRFs之可验证

VRF的可验证性，有两层意思：

一是P对R的验证；

二是PK对P的验证。

前者是VRF证明对VRF哈希的验证，后者是公钥对VRF证明的验证。有点类似验证链：拥有公钥PK可以通过VRF_Verify(PK,M,P)验证证明P的合法性；拥有P可以通过R=VRF_P2H(P)来验证R的合法性。

VRFs之确定性

VRFs的确定性比较简单，就是对相同的SK和M，多次计算R=VRF_Hash(SK,M),得到的R是相同的。

VRFs在区块链中的应用

区块链技术包含了密码学、P2P协议以及共识算法等，是多种技术的巧妙组合，同时加入了经济激励机制。其中，共识算法可谓是区块链技术的灵魂。区块链技术从2009年至今发展了接近十年的时间，共识算法也一直围绕着安全性、去中心化以及高效低能者三个要求不断探索，从中本聪共识（POW类），到POS和DPOS共识，再到各种BFT共识等。

在区块链世界中，矿工的工作是区块链安全运行的基础，而他们的工作就是 挖矿⚒️ ，矿工挖到矿（区块）会获得一笔奖励金和一部分交易手续费。同一时间会有许多矿工进行挖矿，但最终只会有一个区块进入到主链上。

比特币如何决定出块者

POW挖矿算法：Hash(Hash(block, nonce)) < D

矿工挖矿的过程就是为了找到一个以上条件的nonce，谁先算出来谁就是本轮的获胜者。根据Hash算法的特点，其他矿工可以很容易验证上面不等式的有效性。

注：如果同时有两个人计算出符合条件的区块，那么需要根据公认的最长链原则来决定最终的区块。

众所周知这类算法：实现简单，易于理解，但低效高能。

为了解决POW共识低效高能的缺点，出现了POS类共识，而这类共识首先要解决的问题就是 谁来出块 的问题，VRFs最初被引入区块链就是为了解决这个问题。

VRFs如何决定出块者

VRFs算法：R = VRF_Hash(SK,block) ，其中SK代表节点私钥

理论上讲，VRFs单独工作是不能确定谁是出块者的，但像POW机制和最长链原则一样，结合VRFs选出出块者也有类似的两个原则：

1. 节点广播R，加入候选者列表
2. 根据最优原则，决定出块者
   
   注：这里的最优原则，可以是候选者列表中权益最大节点账户，或者长得最帅的那个