班德：VRF是什么？与公链有何关系？| 巴比特加速器技术公开课
随着越来越多的区块链采用PoS共识机制，作为一种低能耗、高效率的随机数算法，VRF（可验证随机函数）算法近年来得到了越来越多人的关注。可以帮助区块链扩容，还可以提高安全性，很多人认为，基于VRF的共识机制或许可以改善“不可能三角”问题。
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本周，Geekhub Global Online第四期“VRF——安全的桥梁”特别邀请了TASchain创始人兼CEO、前虾米音乐创始人兼CTO班德在线上为大家分享VRF的相关内容。
本次分享分为三个部分：
一、由TASchain创始人兼CEO班德主讲，内容是VRF技术及其与公链可结合的方向 二、由TASchain创始合伙人吕博主讲，内容是VRF技术机理及其优缺点 三、现场问答
班德：VRF技术及其与公链可结合的方向
大家好，我是TASchain的CEO班德，很高兴与大家对VRF做一些分享。
VRF技术是什么？VRF，全称为可验证随机函数（Verifiable Random Function）。在区块链选出块节点的过程中，为了保证安全，随机是一个基本要求。VRF 的目的就是要生成一个真正随机且无法被预测的值。
这对人来说很简单，例如五个人随机掷骰子，投掷出3、3、4、1、5，这就是一个随机数。但是，让计算机产生随机数至今仍是一个难题。
我们来看一下公链。我们知道，最早的公链是比特币，其优点在于安全性高，然而也有两大问题：性能差，能耗大。
后面出现的公链有以太坊和EOS，以太坊虽然比比特币的TPS高，但同样存在性能差、能耗大的问题。2017年出现的EOS，TPS一下子提升了上去，达到1000以上。虽然EOS解决了性能问题，但它有21个超级节点，很难被撼动，把重要的位置霸占了，一般人要加入非常困难。
比较EOS和比特币可见，EOS更像雅典式民主，通过二层的投票机制选出决策层，但决策层一旦作恶 ，底层节点无法改变。21个节点满足了拜占庭，他们就可以制定规则。而比特币则是全网节点计算，全网所有矿工只要有一台电脑都可以参与挖矿。EOS更像分布式协作场景，而比特币则是去中心化的场景。
那么，如何保证比特币去中心、安全的优势，又能解决其性能差的问题呢？我们认为，VRF是一个解决方法。
这个思路非常简单直接。我们先回到比特币来看，比如，比特币是1000个矿工挖矿，但效率低且高能耗。但我们可以将这1000个矿工分成10组，每组100个人。
第一步：1000个矿工计算hash，随机选择选一组矿工。当到达某个高度，比如500后，让一组矿工去做，其他矿工就闲置了；第二步：闲置矿工协助出块的矿工验证。这样就按照随机选择的方式进行了分布式协作。但这样做会出现一个问题，即为什么选择这一组，而不是另一组？这个时候VRF就发挥作用了。VRF是可验证随机函数，选择哪一组是通过数学的方式被验证，这就跟比特币验证hash的过程一样，出来后就可以很快的验证。
所以，我们可以看到Algorand和Difinity一样都是通过VRF随机分组的方式解决比特币高能耗、低性能的问题。layer2 的方式也能解决性能低的问题，但很难解决能耗高的问题，难以解决大规模应用的问题。可参见文章《基于VRF的下一代共识机制比较——TASchain、Algorand、Dfinity》。
VRF对矿工进行分组，在比特币中是没有分组的，这个矿被挖出来后就快速在全网，经过全网认证就可以上链，但这需要解决组内的通讯问题，而我们的TASchain在这方面做了很多事情。
吕博：VRF技术机理及其优缺点
大家好，由我来跟大家讲VRF的机理以及优缺点。VRF算法是在1999年由莫卡利教授提出，近几年因其随机性优点和安全性，被区块链的研究者所重视。
P
oS之所以代替PoW，是因为其更好地解决了记账权的公证性问题。而VRF更好地提出了真随机数，从PPT中可以看到VRF的特性以及产生方法。对真随机数算法的比较，从最优解方面来说，是BLS，但狭义VRF是更安全的随机数计算方法。
接着我们来看看VRF的工作流程，它由三个部分组成：
1.证明者先产生随机数Proof，再将随机数发送给验证者；然后我们来看VRF的优点：
2.验证者收到Proof，可以将Proof2Hash，把Proof转化成随机数result；
3.result如果满足条件，则通过Verify函数，这个函数要给出证明者的PK、msg、proof，如果为True的话，则通过验证。
首先，VRF的算力要求低，以基于ed25519椭圆曲线的VRF测试，Prove和Verify的性能均在0.3 ms；举个例子说，它更像一个角色扮演类的游戏--狼人杀，每个参与者通过分发的底牌看自己所扮演的角色，执行自己的功能，到游戏结束，翻出自己的底牌让别人知道自己所承担的角色，在这种情况下有很强的安全性。
其次，VRF极具POW算法的形，它能产生随机数，并且随机数具有个体属性，且可验证；
然后，VRF适合高度去中心化的场景，节点需要主动竞争胜出，非被动指定；
最后，VRF最大的优点是安全性，具备后验属性。
在出块的过程中，最大的问题是被其他恶节点腐化，而VRF具有后验属性的运算，能抵抗其他节点的腐化。
我们再来看VRF的缺点，从我们对VRF公链的比较来看，后验特性虽然很安全，但也带来了不少麻烦：
首先，全网通讯。比如我是一个提案者，通过抽签知道自己进入提案组，但我不知道这一轮多少人是提案者，我也不知道提案者给谁，我只能把自己的出酷爱对全网广播，所以在VRF上都是全网通讯。VRF的缺点是为追求安全性而带来的麻烦，而现有的公链采用的都是拜占庭算法。TASchain改进了拜占庭算法，其设计的Chiron共识算法融合了VRF和门限签名的方法。
其次，等待消息的时间窗口。像刚才所说的，作为验证节点，我不知道上一轮的提案提案节点是谁，也不知道到底有多少个，在众多提案者中，如何选出满足条件的提案者，在这个中间的解决方法，我们采取的是等待消息的时间窗口，而Algorand算法中就保留了很长的窗口等待期，从数据上来看，就算很小的出块，也会等待十秒钟左右的时间窗口，等待所有提案者的VRFproof时间。
然后，验证步骤轮数较多。因为VRF算法有后验的特性，每一轮选组出来的组员个数是不固定的，是随机的。对于这个问题，Algorand 拜占庭容错机制确实能给每一轮不同的组员工作，但验证步骤数比其他的拜占庭算法多很多，从他们的论文来看，会达到十二轮、十三轮。
最后，签名数据量大。签名数据量大的问题不仅是网络通讯量多，数据存储开销也大，因为签名的结果都需要上链，受其他节点验证。另外，验证的时耗也高，大概每个签名需要0.38毫秒左右，如果有3000个数据需要验签，则整个验证需要花费几秒来操作。还有，随机数分布均匀性还待验证。
三、现场问答
Q：数据再精简也不行，会积累的吧？
A：我们曾经做了一个关于比特币的试验，我们知道比特币以6.5出块作为数据的确认，作为控方可以始终从最新的30-50块开始，这不影响矿工作为矿工来挖坑。但对于比特币来说，是没有保证的。这一类矿工一旦碰到稍长的链分叉，它也可以采取同步的方式来继续。Q：TASchain的VRF还结合了BLS门限签名和分片技术，这主要是为了解决VRF在公链运用上的哪些不足？
TAS也存在分叉，全网都OK的情况下，会出现3-4个分叉。分叉解决的方式是软分叉的机制。TAS采取的是各类权重最大的链。BLS作为单条链来说，从TAS试验的结果来看，TPS是达到的，当然单链肯定存在天花板。
A：现有的VRF的方案，如Algorand和本体，他们后端的验证比较长，步骤的轮数比较长，节点比较多，签名比较多，会验证耗时长，存储通讯量大。这些问题我们通过BLS门限签名的方式就可以解决。我们可以做到最后的验证更简短，性能更可靠。Q：如果只选一个答案，您认为公链最重要的特性是什么？你们又是怎样打造这个特性的？
A：公链最重要的特性是去中心化，去中心化程度越高，安全性、可信性越大。我们如何打造去中心化呢？我们选择的是VRF+BLS的方式，这样可以保证高度的去中心化。
班德补充：我看到有个同学问Dfinity测试的时间可能有推迟。很难说哪方就跑得更快些，我觉得需要大家一起参与。为了让大家都参与进来，我们用Python作为我们智能合约的语言，因为python是全球排名前五的语言，也是语言中最简单的，很多小学生都在学这门语言。我们希望通过公测让大家帮我们一起推进。
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