CN109583892A - 一种区块链中的随机数选取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种区块链中的随机数选取方法，包括如下步骤：n值的选取；触发随机数生成流程；结果区块号的验证；区块哈希值的选取；生成种子；随机数r的获取。本发明从区块链中选取连续的区块哈希值作为随机数的产生源，避免了只取一个哈希值带来的作假行为，相比于现有的实现方案，避免了中心化嫌疑，本发明不依赖第三方协助，因此实现起来简单方便，能够使使用者得到更好的体验，在发明中区块哈希值转变为随机数的过程中，随机数在所选取的范围内是平均分布的，保证了随机数选取的公平性。

Description

一种区块链中的随机数选取方法

技术领域

本发明属于区块链技术领域，尤其涉及一种区块链中的随机数选取方法。

背景技术

区块链技术最近日渐火热，从技术的角度上来讲，各种区块链技术实现的都是一个去中心化的，或者说是分布式的数据库***。该***的特点是有很多个分处与世界各地的节点，每个节点都会维护一套相同的数据库。这就导致了恶意篡改数据极其困难，数据丢失极为罕见，从而实现了一个公平透明，解决信任危机的平台。

区块链是可编程的，对于最新的区块链实现例如Ethereum或者EOS来说，几乎可以写代码(区块链的世界中称为“合约”)来记录任何事情。但是由于区块链技术本身的特点，会有一些操作实现起来比较困难，本发明论述的就是其中之一——随机数的选取。

常见的平台像是PC或者服务器，他们采取的随机数获取方式是根据内置算法来计算一个伪随机数，但是这种方法在区块链的世界中行不通。正如前面所说，区块链的技术涉及到了全世界的无数节点，每个节点为了保持数据一致性，必须要求同一段代码的执行结果在自己的节点和在其他节点的执行结果一样，如果在这其中涉及到了随机过程，那么该结论则不能保证。换句话说，在区块链的世界中，需要找到一种方式，使生成随机数之前，大家都不能预测这个随机数(做到随机)。但是对于同处于***中的各个节点，他们拿到的随机结果要一致(做到确定)。本发明提出的就是一种符合上述规则的选取方法。

区块链技术中的区块是用来打包交易的，每个区块中会包含若干交易，且每个区块也会有个唯一标识(通过哈希算法得出)。这个标示是与该块内部的交易相关的，交易变则标识变。由于现实中的交易是发生在世界各地的，涉及到的内容以及发送者更是不计其数。由此我们可以看出，在某个特定的区块内包含的交易内容将会是随机的，由此，区块的唯一标识也会是随机的。本发明就是以这一特点为基础，来实现随机数的选取。

下面介绍两种现有的选取随机数的方案：

A、访问外部数据方案

这一方案的代表是Ethereum中的Oraclize。它提供了一个桥梁，使链上合约可以与互联网进行交互，从而能获取到一些随机数据，包括天气、汇率、股票价格甚至宇宙微波背景辐射等，并以此作为随机源来产生随机数。

B、“投票、揭晓”方案

Randao的技术***描述的就是这一方案。他的实现分为两个阶段，分别为投票阶段以及揭晓阶段。当有人需要获取随机数的时候，它会发申请给一个特定的链上合约，并且附上手续费。这时该合约会进入“投票”阶段，在这个阶段中，合约会以得到的手续费来吸引一些随机数生成者来协助生成随机数。具体方法就是每个协助者在本地生成一个随机数，取其哈希值，提交到合约中去。在“揭晓”阶段，之前参与的协助者再向相同合约发送最初生成的随机数，合约会通过取哈希来校验协助者是否作假。如果没作假，则这个随机数会记录成随机种子之一。最后，当所有协助者都揭晓之后，合约会根据合法的种子进行一系列运算来得到最终随机数，并返回给最初的调用者。

A方案的缺点显而易见，既然区块链追求的是去中心化与信任，那么有一个中心机构来负责产生随机数明显是不妥的。A方案中，无论通过或联网获取的是天气数据或是股票数据，都无法保证数据源不会因为利益而作假。虽然选取的数据源可能足够权威并且与随机数的产生没有利益纠葛，虽然方案中提出了各种验证措施，但这都不能完全确保公正性。因为它最终依赖的还是一个权威机构，而不是一种确定的算法。

B方案就是为了解决A方案的问题而应运而生的。它通过严格限制随机数产生步骤来形成一种算法，使其从逻辑上就不存在造假的可能。但是它的缺点也相当明显，那就是太复杂。一个随机数的产生需要用到手续费，并且还需要一堆的协助者来进行配合。B方案的维护者也要随时确保它的激励手段能吸引来一定数量的协助者，否则这个方案就无法进行下去了。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种区块链中的随机数选取方法，从区块链中选取连续的区块哈希值作为随机数的产生源，避免了只取一个哈希值的时候可能带来的作假行为，避免了中心化嫌疑，并且不依赖第三方协助，实现起来简单方便。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种区块链中的随机数选取方法，包括如下步骤：

S1，n值的选取：使用者进入区块链，根据自己的业务需要，选取一个合适的正整数n，记录并规定当前所在区块的区块号为始区块号Bn₀，规定可以获取最终结果的区块号为终区块号Bn_e，并设定终区块号Bn_e为始区块号Bn₀的n个区块号后；

S2，触发随机数生成流程：等待区块链上产生n个区块，在产生第n+1个区块的时候，发起交易，外部调用合约接口，从而触发生成随机数r的流程；

S3，结果区块号的验证：通过合约判断当前交易所在区块的终区块号Bn_e与选取n时所在区块的始区块号Bn₀之差是否大于n；如果是，则验证通过，进入步骤S4，如果否，则验证失败，返回步骤S2；

S4，区块哈希值的选取：从当前交易所在区块的上一个区块起，连续选取n个区块的哈希值h_i，分别为h₁、h₂、h₃…h_n；

S5，生成种子：从当前给出结果的交易所在区块的前一个区块起，把取到的n个连续的哈希值h_i生成种子S,S＝f(…f(f(f(h₁,h₂),h₃),…h_n)；

S6，随机数r的获取：选取一个随机整数N,再利用步骤S6中得到的种子S对随机整数N求余，即r＝S mod N，最终r为区间[0,N)的整数随机数。

进一步地，所述步骤S1中的n取值为1到256，n的取值越大，获得的随机数遭到恶意控制的几率越小，n的取值不能无限大，一方面n越大，需要等待的时间越长，导致体验很差，另一方面因为合约中的代码基本不能获取从创世区块到现在的所有区块的哈希值。

进一步地，所述步骤S4中的哈希值h_i是一个256位的二进制数，一般显示为一个64位的16进制数，哈希值h_i是通过哈希算法得出的区块的唯一标识，哈希值h_i与区块的内部交易相关，交易变则哈希值h_i变，区块的内部交易是随机的，因此哈希值h_i是随机的。

进一步地，所述步骤S5中的f是XOR运算，其代码表示为：

bytes32hash＝blockhash(block.number-1)；

for(uint i＝2；i<＝n；i++){hash^＝blockhash(block.number-i)；}，hash为哈希值，blockhash为区块哈希值，block.number为区块号，n为步骤S1中选取的正整数，由于每个区块的哈希值h_i是完全随机的，因此种子S也是随机的。

进一步地，所述步骤S6中的种子S需先被强转成无符号整型，再对N求余，求余代码为：uint random＝uint(S)％N，得到分布在[0,N)之间的随机数r。

本发明的有益效果是：

1、本发明从区块链中选取连续的区块哈希值作为随机数的产生源，避免了只取一个哈希值带来的作假行为，相比于现有的实现方案，避免了中心化嫌疑；

2、本发明不依赖第三方协助，因此实现起来简单方便，能够使使用者得到更好的体验；

3、本发明在区块哈希值转变为随机数的过程中，随机数在所选取的范围内是平均分布的，保证了随机数选取的公平性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明的方法流程图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示的一种区块链中的随机数选取方法，包括如下步骤：

步骤一，n值的选取：使用者进入区块链，首先根据自己的业务需要，选取一个合适的正整数n，记录并规定当前所在区块的区块号为始区块号Bn₀，规定可以获取最终结果的区块号为终区块号Bn_e，并设定终区块号Bn_e为始区块号Bn₀的n个区块号后。从区块链的实现原理来说，n的取值越大，获得的随机数遭到恶意控制的几率越小，假如n取1，那么随机数将最终由距离结果给出最近的1个区块来决定，这时候，如果某个矿工刚好有这个区块的挖掘权，那么他就可以全权控制这个随机数的产生，虽然该矿工有很大程度上跟需求随机数的合约没有利益关系，但这点并不能保证，如果需求随机数的合约刚好是一个类似于彩票的合约，那么这个矿工就可以控制开奖结果，从而使自己受益最大化；当n取值变大的时候，随机数的最终结果是跟最近连续n个区块的哈希值有关，同样是上面的例子，矿工需要连续获得最近n个区块的挖矿权才能控制最终结果，这在区块链的挖矿算法设计上基本是不可能发生的，可以保证结果不会被恶意干预，但是n的取值也不能无限大，一方面n越大，需要等待的时间越长，n太大会导致体验很差，另一方面因为合约中的代码基本不能获取从创世区块到现在的所有区块的哈希值，像在Ethereum只能获取256个，因此它的取值只能是1到256。

步骤二，触发随机数生成流程：等待区块链上产生n个区块，在产生第n+1个区块的时候，发起交易，外部调用合约接口，从而触发生成随机数r的流程。

步骤三，结果区块号的验证：通过合约判断当前交易所在区块的终区块号Bn_e与选取n时所在区块的始区块号Bn₀之差是否大于n；如果是，则验证通过，进入步骤S4，如果否，则验证失败，返回步骤S2。

步骤四，区块哈希值的选取：从当前交易所在区块的上一个区块起，连续选取n个区块的哈希值h_i，分别为h₁、h₂、h₃…h_n，哈希值h_i是一个256位的二进制数，一般显示为一个64位的16进制数，哈希值h_i是通过哈希算法得出的区块的唯一标识，哈希值h_i与区块的内部交易相关，交易变则哈希值h_i变，区块的内部交易是随机的，因此哈希值h_i是随机的。

步骤五，生成种子：从当前给出结果的交易所在区块的前一个区块起，把取到的n个连续的哈希值h_i生成种子S,S＝f(…f(f(f(h₁,h₂),h₃),…h_n)，f是XOR运算，其代码表示为：

bytes32hash＝blockhash(block.number-1)；

for(uint i＝2；i<＝n；i++){hash^＝blockhash(block.number-i)；}，hash为哈希值，blockhash为区块哈希值，block.number为区块号，n为步骤一中选取的正整数，每个区块的哈希值h_i是完全随机的，因此种子S也是随机的。

步骤六，随机数r的获取：选取一个随机整数N,再利用步骤S6中得到的种子S对随机整数N求余，即r＝S mod N，最终r为区间[0,N)的整数随机数，种子S需先被强转成无符号整型，再对N求余；需根据所取的随机数的范围来决定后续的操作，假如这里要取的是一个0～9的一位随机数，只需要把种子S强转成无符号整型，再对10求余即可，代码为：

uint8random＝uint8(uint256(S)％10)，这种方式得来的随机数在0～9的范围内是近似平均分布的，每个区块的哈希值是完全随机的，因此对多个哈希值按位取XOR后得到的种子也是随机的，如果把它强转成无符号整型，就相当于得到了一个平均分布在[0,2²⁵⁶)之间的整数，由于2²⁵⁶非常大，相当于1后面77个0，因此得到的0～9中各个数字的出现概率近似是一样的，大约在每10⁷⁶次选取中才会出现1次的偏差，完全可以忽略不计；如果N趋近于2²⁵⁶，那么偏差率会增大，不过好在这个数值非常大，平时也不会经常用到，对于N的选取，使用者根据自己的业务逻辑自行判断即可；对于确实需要很大的N或者需要取带有小数的随机数时，可以使用拆分的方法来进行选取，例如，在保留两位小数的非整数随机数选取中，可以把数字分成整数部分和小数部分，再分别用上述步骤求出整数部分和小数部分的随机数，然后组合再一起即可，又例如，在超大随机数的选取过程中，可以把随机数分成每m个数字一组，然后对每一组用上述流程取随机数，最后再组合；由于后续的处理方法不同，得到最终随机数的范围也不同，使用者完全可以根据自己的需要自行设计选取方法。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (5)

1.一种区块链中的随机数选取方法，其特征在于,包括如下步骤：

S1，n值的选取：使用者进入区块链，选取一个正整数n，记录并规定当前所在区块的区块号为始区块号Bn₀，规定获取最终结果的区块号为终区块号Bn_e，并设定终区块号Bn_e为始区块号Bn₀的n个区块号后；

S2，触发随机数生成流程：等待区块链上产生n个区块，在产生第n+1个区块的时候，发起交易，外部调用合约接口，触发生成随机数r的流程；

S3，结果区块号的验证：通过合约判断当前交易所在区块的终区块号Bn_e与选取n时所在区块的始区块号Bn₀之差是否大于n；如果是，则验证通过，进入步骤S4，如果否，则验证失败，返回步骤S2；

S4，区块哈希值的选取：从当前交易所在区块的上一个区块起，连续选取n个区块的哈希值h_i，分别为h₁、h₂、h₃…h_n；

S5，生成种子：从当前给出结果的交易所在区块的前一个区块起，把取到的n个连续的哈希值h_i生成种子S,S＝f(…f(f(f(h₁,h₂),h₃),…h_n)；

S6，随机数r的获取：选取一个随机整数N,再利用步骤S5中得到的种子S对随机整数N求余，即r＝S mod N，最终r为区间[0,N)的整数随机数。

2.根据权利要求1所述的一种区块链中的随机数选取方法，其特征在于：所述步骤S1中n的取值为1到256。

3.根据权利要求1所述的一种区块链中的随机数选取方法，其特征在于：所述步骤S4中的哈希值h_i是一个256位的二进制数。

4.根据权利要求1所述的一种区块链中的随机数选取方法，其特征在于：所述步骤S5中的f是XOR运算，其代码表示为：

bytes32 hash＝blockhash(block.number-1)；

for(uint i＝2；i<＝n；i++){hash^＝blockhash(block.number-i)；}，

hash为哈希值，blockhash为区块哈希值，block.number为区块号，n为步骤S1中选取的正整数。

5.根据权利要求1所述的一种区块链中的随机数选取方法，其特征在于：将所述步骤S6中的种子S强转成无符号整型，再对N求余，求余代码为：uint random＝uint(S)％N，得到分布在[0,N)之间的随机数r。