隨著越來越多的區塊鏈採用PoS共識機制，作為一種低能耗、高效率的隨機數演算法，VRF（可驗證隨機函式）演算法近年來得到了越來越多人的關注。可以幫助區塊鏈擴容，還可以提高安全性，很多人認為，基於VRF的共識機制或許可以改善“不可能三角”問題。巴位元
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本週，Geekhub Global Online第四期“VRF——安全的橋樑”特別邀請了TASchain創始人兼CEO、前蝦米音樂創始人兼CTO班德線上上為大家分享VRF的相關內容。
本次分享分為三個部分：
一、由TASchain創始人兼CEO班德主講，內容是VRF技術及其與公鏈可結合的方向 二、由TASchain創始合夥人呂博主講，內容是VRF技術機理及其優缺點 三、現場問答
班德：VRF技術及其與公鏈可結合的方向
大家好，我是TASchain的CEO班德，很高興與大家對VRF做一些分享。
VRF技術是什麼？VRF，全稱為可驗證隨機函式（Verifiable Random Function）。在區塊鏈選出塊節點的過程中，為了保證安全，隨機是一個基本要求。VRF 的目的就是要生成一個真正隨機且無法被預測的值。
這對人來說很簡單，例如五個人隨機擲骰子，投擲出3、3、4、1、5，這就是一個隨機數。但是，讓計算機產生隨機數至今仍是一個難題。
我們來看一下公鏈。我們知道，最早的公鏈是比特幣，其優點在於安全性高，然而也有兩大問題：效能差，能耗大。
後面出現的公鏈有以太坊和EOS，以太坊雖然比比特幣的TPS高，但同樣存在效能差、能耗大的問題。2017年出現的EOS，TPS一下子提升了上去，達到1000以上。雖然EOS解決了效能問題，但它有21個超級節點，很難被撼動，把重要的位置霸佔了，一般人要加入非常困難。
比較EOS和比特幣可見，EOS更像雅典式民主，透過二層的投票機制選出決策層，但決策層一旦作惡 ，底層節點無法改變。21個節點滿足了拜占庭，他們就可以制定規則。而比特幣則是全網節點計算，全網所有礦工只要有一臺電腦都可以參與挖礦。EOS更像分散式協作場景，而比特幣則是去中心化的場景。
那麼，如何保證比特幣去中心、安全的優勢，又能解決其效能差的問題呢？我們認為，VRF是一個解決方法。
這個思路非常簡單直接。我們先回到比特幣來看，比如，比特幣是1000個礦工挖礦，但效率低且高能耗。但我們可以將這1000個礦工分成10組，每組100個人。
第一步：1000個礦工計算hash，隨機選擇選一組礦工。當到達某個高度，比如500後，讓一組礦工去做，其他礦工就閒置了；第二步：閒置礦工協助出塊的礦工驗證。這樣就按照隨機選擇的方式進行了分散式協作。但這樣做會出現一個問題，即為什麼選擇這一組，而不是另一組？這個時候VRF就發揮作用了。VRF是可驗證隨機函式，選擇哪一組是透過數學的方式被驗證，這就跟比特幣驗證hash的過程一樣，出來後就可以很快的驗證。
所以，我們可以看到Algorand和Difinity一樣都是透過VRF隨機分組的方式解決比特幣高能耗、低效能的問題。layer2 的方式也能解決效能低的問題，但很難解決能耗高的問題，難以解決大規模應用的問題。可參見文章《基於VRF的下一代共識機制比較——TASchain、Algorand、Dfinity》。
VRF對礦工進行分組，在比特幣中是沒有分組的，這個礦被挖出來後就快速在全網，經過全網認證就可以上鍊，但這需要解決組內的通訊問題，而我們的TASchain在這方面做了很多事情。
呂博：VRF技術機理及其優缺點
大家好，由我來跟大家講VRF的機理以及優缺點。VRF演算法是在1999年由莫卡利教授提出，近幾年因其隨機性優點和安全性，被區塊鏈的研究者所重視。
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oS之所以代替PoW，是因為其更好地解決了記賬權的公證性問題。而VRF更好地提出了真隨機數，從PPT中可以看到VRF的特性以及產生方法。對真隨機數演算法的比較，從最優解方面來說，是BLS，但狹義VRF是更安全的隨機數計算方法。
接著我們來看看VRF的工作流程，它由三個部分組成：
1.證明者先產生隨機數Proof，再將隨機數傳送給驗證者；然後我們來看VRF的優點：2.驗證者收到Proof，可以將Proof2Hash，把Proof轉化成隨機數result；
3.result如果滿足條件，則透過Verify函式，這個函式要給出證明者的PK、msg、proof，如果為True的話，則透過驗證。
首先，VRF的算力要求低，以基於ed25519橢圓曲線的VRF測試，Prove和Verify的效能均在0.3 ms；舉個例子說，它更像一個角色扮演類的遊戲--狼人殺，每個參與者透過分發的底牌看自己所扮演的角色，執行自己的功能，到遊戲結束，翻出自己的底牌讓別人知道自己所承擔的角色，在這種情況下有很強的安全性。其次，VRF極具POW演算法的形，它能產生隨機數，並且隨機數具有個體屬性，且可驗證；
然後，VRF適合高度去中心化的場景，節點需要主動競爭勝出，非被動指定；
最後，VRF最大的優點是安全性，具備後驗屬性。
在出塊的過程中，最大的問題是被其他惡節點腐化，而VRF具有後驗屬性的運算，能抵抗其他節點的腐化。
我們再來看VRF的缺點，從我們對VRF公鏈的比較來看，後驗特性雖然很安全，但也帶來了不少麻煩：
首先，全網通訊。比如我是一個提案者，透過抽籤知道自己進入提案組，但我不知道這一輪多少人是提案者，我也不知道提案者給誰，我只能把自己的出酷愛對全網廣播，所以在VRF上都是全網通訊。VRF的缺點是為追求安全性而帶來的麻煩，而現有的公鏈採用的都是拜占庭演算法。TASchain改進了拜占庭演算法，其設計的Chiron共識演算法融合了VRF和門限簽名的方法。其次，等待訊息的時間視窗。像剛才所說的，作為驗證節點，我不知道上一輪的提案提案節點是誰，也不知道到底有多少個，在眾多提案者中，如何選出滿足條件的提案者，在這個中間的解決方法，我們採取的是等待訊息的時間視窗，而Algorand演算法中就保留了很長的視窗等待期，從資料上來看，就算很小的出塊，也會等待十秒鐘左右的時間視窗，等待所有提案者的VRFproof時間。
然後，驗證步驟輪數較多。因為VRF演算法有後驗的特性，每一輪選組出來的組員個數是不固定的，是隨機的。對於這個問題，Algorand 拜占庭容錯機制確實能給每一輪不同的組員工作，但驗證步驟數比其他的拜占庭演算法多很多，從他們的論文來看，會達到十二輪、十三輪。
最後，簽名資料量大。簽名資料量大的問題不僅是網路通訊量多，資料儲存開銷也大，因為簽名的結果都需要上鍊，受其他節點驗證。另外，驗證的時耗也高，大概每個簽名需要0.38毫秒左右，如果有3000個資料需要驗籤，則整個驗證需要花費幾秒來操作。還有，隨機數分佈均勻性還待驗證。
三、現場問答
Q：資料再精簡也不行，會積累的吧？
A：我們曾經做了一個關於比特幣的試驗，我們知道比特幣以6.5出塊作為資料的確認，作為控方可以始終從最新的30-50塊開始，這不影響礦工作為礦工來挖坑。但對於比特幣來說，是沒有保證的。這一類礦工一旦碰到稍長的鏈分叉，它也可以採取同步的方式來繼續。Q：TASchain的VRF還結合了BLS門限簽名和分片技術，這主要是為了解決VRF在公鏈運用上的哪些不足？TAS也存在分叉，全網都OK的情況下，會出現3-4個分叉。分叉解決的方式是軟分叉的機制。TAS採取的是各類權重最大的鏈。BLS作為單條鏈來說，從TAS試驗的結果來看，TPS是達到的，當然單鏈肯定存在天花板。
A：現有的VRF的方案，如Algorand和本體，他們後端的驗證比較長，步驟的輪數比較長，節點比較多，簽名比較多，會驗證耗時長，儲存通訊量大。這些問題我們透過BLS門限簽名的方式就可以解決。我們可以做到最後的驗證更簡短，效能更可靠。Q：如果只選一個答案，您認為公鏈最重要的特性是什麼？你們又是怎樣打造這個特性的？
A：公鏈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。我們如何打造去中心化呢？我們選擇的是VRF+BLS的方式，這樣可以保證高度的去中心化。班德補充：我看到有個同學問Dfinity測試的時間可能有推遲。很難說哪方就跑得更快些，我覺得需要大家一起參與。為了讓大家都參與進來，我們用Python作為我們智慧合約的語言，因為python是全球排名前五的語言，也是語言中最簡單的，很多小學生都在學這門語言。我們希望透過公測讓大家幫我們一起推進。
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