Ethereum RNG (RANDAO & VDF)

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RNG是Random Number Generator，也就是亂數產生器
在現實世界中要產生真正的隨機數，其實不容易，各個語言的library所提供的隨機數，都是偽隨機數，是可以預測的，不過在大部分的應用場域，都是可以應付的。區塊鏈的世界，面對的是全世界的人，怎麼產生不可預測的隨機數，就很重要，不然就可以被有心人所操作。例如Ethereum Beacon chain(POS chain)中的validator/attester(產塊跟驗證的角色)，若是可以被預測，那大概就沒有人會相信這條鏈了。而這也是Ethereum Serenity(Eth-2.0)，所遇到的問題之一。目前隨機數的產生，就由RANDOA + VDF所產生，以下就分別介紹

ＲＡＮＤＡＯ

RANDAO是利用經濟模式（獎勵跟處罰）的方式，促使在公共場域中能產生隨機變數

原理很簡單，想參加的人把拿錢來抵押，需要產生隨機數的人要付錢。所以參加者就可以從中分潤，當然不守規矩抵押的錢也就會被沒收，利用獎勵跟處罰的方式迫使大家都守規矩。詳細步驟如下：

  1. 首先，會有個收集seed的時間，例如6個block的時間。接著，想參與的人，投入某個數量的ETH到RANDAO這個smart contract（作質押），然後附上secret（某個只有你知道的值s，然後作sha3）。
  2. 等收集時間結束，就是驗證時間。此階段所有參與著需要把s傳入smart contract做驗證，smart contract會把s作sha3，去驗證是不是跟第一階段傳進來的一致。最終會把驗證過的s當作seed去產生隨機數。
  3. 最後，就是產生隨機數，然後把隨機數傳給之前有請求過的contract。然後歸還質押的ETH跟利潤分給參與者。
此外有幾個附加條件
  1. 第一階段若收集到數筆一樣的secret，只接受第一筆
  2. 第一階段會規定基本人數，若結束後未到達人數門檻，則此次的產生就失敗
  3. 若第二階段需提供s
    1. 若未提供，則質押的ETH會被沒收
    2. 若此階段有一個以上參與著未提供s，則此次產生失敗，並且把沒收的ETH分給有提供s的參與者。且退還請求者所支付的ETH。


ＶＤＦ

VDF 全名為Verifiable delay functions，從字面上有點難懂在幹嘛，從運作方面做解釋，就是輸入一個值，然後運算一段時間(delay)，得出一個結果，最後這個結果是可以被輕易驗證的。如下列算式， 

                f(x) = g(g(g(g(....g(x)....)))) 
                where g(x) = xor(x^((p+1)/4), 1) mod p
        其反函數為
                 h(x) = xor(x, 1)^2 mod p

上面提到「運算一段時間」的運算，其實是重複做同一種運算，從數學式看就很清楚，把x帶入g(x)，然後把算出的結果再帶入g(x)。所以同一段時間，如果能迭代的次數比其他人多，那其他人就猜不到結果，也就沒辦法預測亂數結果。


最後，介紹一下這兩個方法怎麼運用在Ethereum Serenity中
首先，RANDAO會在內建在Beacon chain的邏輯中，而不是一個獨立的smart contract，但RANDAO有個缺點，就是最後一位可以預測/操縱結果。如下圖，因為最後一位可以知道前面的值，所以在最後可以決定要出值或是不出，因此可以操縱結果。(目前epoch是64個slot，而每個slot是6秒，所以epoch約是6.4 minutes)



所以設計上除了RANDAO，還多一層VDF。
VDF把RANDAO產生出來的亂數當種子去產生亂數，而且計算時間要夠長（至少要一個epoch，目前規劃是10個epoch，不過相信還會有變動），如下
source : Justin Drake slides on DevCon4

實際的lifecycle會像這樣，在VDF計算完後，會有一個epoch的緩衝讓這個亂數可以上鏈，然後接著下一個RANDAO mixing。


但問題來了，怎麼確保沒有人算得比你快？？
所以Ethereum Foundation計畫做硬體，設計新的ASIC晶片來計算VDF，以確保沒人可以預測最終的亂數。實際設計當然不是Foundation的researcher們，他們找了學界跟產業的IC design專家做設計，因為硬體研發費用龐大，Filecoin也一起支援這項計畫。

更多細節的部分，可以參考Minimal VDF randomness beacon


other references : 

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