PIP: 8
Topic: PlatON网络对链上随机数的支持
Author: benbaley
Status: Draft
Type: Upgrade
Description: 在PlatON网络上支持链上获取可验证随机数
Created: 2022-03-28
背景
以NFT、Loot drops游戏等应用为代表的DApp极大的促进了区块链生态的繁荣，链上随机数可以为DApp提供防篡改的链上随机性，诸如NFT铸造和归属、draws、(PvP) Battles等都需要使用链上随机来产生公平的结果，为此，在PlatON网络上急需支持一套安全的、和应用具有良好兼容性的链上随机数解决方案。
概述
在公有链上通过共识算法独立产生不可预知的随机数是困难的，PlatON的共识算法Giskard中使用了VRF算法做验证人选取，其链上Nonce（VRF和证明）天然的具备安全、可验证以及随机性（不可预知）的特点，因此可以直接在PlatON中通过使用区块Header中的Nonce来满足链上（合约层）获取随机性的要求。
实现
由于solidity并未提供获取Nonce的指令，EVM类似的提案EIP-4399也尚未进入实施阶段，为了保持和EVM良好的兼容性，PlatON上讲采用 PrecompiledContract 的方式在合约层支持用户获取随机数。
随机源
PlatON的链上随机数来源于区块header中的Nonce，该字段由父区块的Nonce做为种子，由当前区块的提议人私钥签名产生的随机数，天然具有可验证、随机性。使用时，取该字段的第[1,33]字节为可验证的随机数的随机源VRF。
PlatON网络中的所有验证人节点都将对区块Header中的Nonce字段做验证，如果该字段非法，则当前区块不能获取验证人的签名，无法被确认，因此该字段无需在合约层重复验证。
用户接口
- 预编译合约
系统通过PrecompiledContract的VrfInnerContract获取区块Header中的Nonce，合约地址为 lat1xqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqpe9fgva (0x3000000000000000000000000000000000000001)
调用时，用户需要传入产生随机数的个数， 该PrecompiledContract返回随机数数组。
- VRFCoordinator
PlatON随机数方案无需和任何链下系统对接，当用户通过VRFCoordinator->requestRandomWords请求随机数时，系统通过内置合约VrfInnerContract获取随机数后直接回调Consumer合约的fulfillRandomWords接口，规则为：
- 用户请求单个随机数
内置合约通过计算随机源VRF与当前用户交易hash的异或直接返回结果
for i := 0; i < txHash.Length; i++ {
randomWords[i] = currentNonces[i] ^ txhash[i]
}
- 用户请求随机数个数为 n（ n > 1）
内置合约 VrfInnerContract 通过计算随机源VRF与当前用户交易hash的异或，再与当前区块的前n个区块的VRF分别异或，顺序为从parent区块到currentBlockNumber-n+1块，然后将所有计算结果依次拷贝到返回结果的数组中
for i := 0; i < txHash.Length; i++ {
randomWords[i] = currentNonces[i] ^ txhash[i]
}
vrf := handler.GetVrfHandlerInstance()
nonceInVrf, err := vrf.Load(v.Evm.ParentHash)
for i := 1; i < int(randomWordsNum); i++ {
// 优先从VrfHandler中获取nonce, 当获取不到则从区块中拿
if i+1 > len(nonceInVrf) {
preNonce = vrf2.ProofToHash(v.Evm.GetNonce(currentBlockNum - uint64(i) - 1))
} else {
preNonce = nonceInVrf[len(nonceInVrf)-i-1]
}
start := i * common.HashLength
for j := 0; j < common.HashLength; j++ {
randomNumbers[j+start] = randomNumbers[j] ^ preNonce[j]
}
}
注意事项
- 随机数是“同步”被返回给用户的
这意味着用户通过 VRFCoordinator合约中的requestRandomWords接口不需要返回 requestID 即可获得随机数结果，因此与异步回调相关的参数如keyHash、minimumRequestConfirmations、callbackGasLimit也是不需要关注的（报了保持接口的兼容性，参数将被保留），同时，用户在使用时需要注意Consumer中fulfillRandomWords接口中如果有关于requestId的判断是不需要的。
- 用户不需要预付费
在一些其他公链相近的方案中，随机数是通过“链下生成+链上验证”的方式提供给用户使用， 由于随机数Oracle节点需要异步调用fulfillRandomWords接口，因此需要为请求随机数的Consumer应用合约pre-fund一定数量的Token，而在PlatON方案中Consumer请求随机数是同步返回的， 因此不需要用户预付费。
安全性分析
- 区块提议人提前知道随机数
因随机数必须经由区块提议人私钥签名获得， 这样提议人在提议区块时可以提前获取随机数，因PlatON的VRF随机数被应用于共识节点的随机选取，安全性已经得到充分验证，提议人提前获取随机数并不能做任何恶意行为， 因此安全性是可以得到保障的。
- 每个区块对应一个随机源
因随机源来源于区块的Nonce，因此在同一个区块内的所有随机数均有同一个随机源产生，因随机源是安全的，故所有衍生的随机数亦是安全的。