CN112527244A - 基于可验证延迟函数的分布式抽签系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于可验证延迟函数的分布式抽签系统和方法，包括：业务合约模块：进行抽奖的发起、用户注册和开奖，并定义抽奖的线上逻辑和规则；验证合约模块：验证用户提交的随机数的正确性；用户客户端：发起参与抽奖请求和上传用户随机数；密码算法组件：在随机数生成和验证随机数时给予计算支持。本发明通过可验证延迟函数生成公平和不可预测的随机数，保证了攻击者无法提前得知和影响最终的结果，具有高安全性。

Description

基于可验证延迟函数的分布式抽签系统和方法

技术领域

本发明涉及可验证延迟函数技术领域，具体地，涉及一种基于可验证延迟函数的分布式抽签系统和方法。

背景技术

在传统抽签业务中，比如线上抽奖、摇号等，通常由活动的主办方或者某个可信第三方进行抽签或者作为抽签结果可信的担保。这种抽签方式存在着：1)抽签系统存在单点风险；2)对参与者来说，这样的运作方式不够透明，容易发生纠纷，但是如果简单地通过区块链平台，实现分布式抽签系统，又存在着：随机数容易被恶意节点操作的风险。由于区块链平台的公开透明和开放性，链上数据对所有节点都是公开可见，这可以解决抽签流程中的不透明问题，但是这样的话，随机数的不可预测性无法得到保证，同时由于区块链平台为了保证一致性，无法为智能合约提供随机函数，因此需要设计一种公平的机制，使得所有参与节点上传随机种子，作为生成随机数的随机来源。

难点有：1)可验证延迟函数的实现和引入来保证抽签方案中随机数不可预测性；2)密码学承诺和线下的随机数发生器保证了在分布式系统中随机数的公平性；3)传统的抽签业务流程能够接入链上的抽签服务，产生抽签结果，实现结果的公开可验证、不可篡改性，解决单点信任的问题。

专利文献CN111600709A(申请号：CN202010454867.X)公开了一种可验证随机数的生成方法和装置，应用于区块链系统中的任意一个节点，在获得一次随机数生成过程的随机数种子池之后，向区块链系统中的计算节点提供随机数种子池和时间参数，使各个计算节点利用可验证延迟函数在时间参数所指定的时刻之后计算得到随机数结果，然后向目标客户端反馈随机数结果。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于可验证延迟函数的分布式抽签系统和方法。

根据本发明提供的基于可验证延迟函数的分布式抽签系统，包括：

业务合约模块：进行抽奖的发起、用户注册和开奖，并定义抽奖的线上逻辑和规则；

验证合约模块：验证用户提交的随机数的正确性；

用户客户端：发起参与抽奖请求和上传用户随机数；

密码算法组件：在随机数生成和验证随机数时给予计算支持。

优选的，所述业务合约模块包括：

在初始化阶段设定抽签人数、报名时间、上传随机数的时间，并绑定验证合约的地址。

优选的，所述验证合约模块包括：

验证和读取生成的随机数；

存储用户注册的公钥地址、抽奖凭证、随机数和最终结果；

所述公钥地址、抽奖凭证和随机数由链下用户客户端提供，抽签的最终结果由验证合约模块验证后提供。

优选的，所述用户客户端包括合约交互模块和业务逻辑；

所述合约交互模块用于与链上合约交互，上传请求数据和接收返回结果；

所述业务逻辑包括用户注册、抽奖凭证管理、随机数上传、随机数计算和验证以及抽签结果输出。

优选的，所述密码算法组件包括：

随机数发生器：通过硬件设备作为随机熵源；

密码学承诺：由哈希函数实现；

可验证延迟函数：在预设时间内计算不可变的结果。

优选的，密码学承诺包括承诺阶段和揭示阶段；

在承诺阶段中，所有用户线下计算承诺值Hash(r，s)，其中s是用户的随机数，r为盲因子，起到保护随机数的作用，用户将承诺值公开；

在揭示阶段中，用户打开承诺，其他用户通过重新计算承诺，验证随机数值和盲因子的正确性。

优选的，所述可验证延迟函数包括三个子函数：

Setup()：设定函数的时间参数和安全参数；

VDF_eval(s)：根据输入随机数s计算结果r和证明pi；

VDF_verify(r,pi)：验证结果r的正确性；

验证合约模块将结果和证明作为Verify函数的输入，若验证通过，则将计算结果反馈到业务合约中；若验证不通过，则继续等待其他链下节点上传计算结果。

优选的，业务合约通过引入模板合约的方式，支持更多的抽签规则。

优选的，业务合约通过引入数字身份的方式，对参与抽签的用户进行身份认证。

根据本发明提供的基于可验证延迟函数的分布式抽签方法，包括：

步骤1：通过业务合约发布抽奖活动和活动规则；

步骤2：通过客户端发起参与抽奖的请求；

步骤3：通过密码算法组件生成随机数，并通过可验证延迟函数验证生成的随机数；

步骤4：验证随机数生成的正确性，并确认最终结果。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过可验证延迟函数生成公平和不可预测的随机数，随机数的随机源是所有参与用户上传的随机种子，通过该函数保证了攻击者无法提前得知和影响最终的结果；

2、本发明通过密码算法组件中的密码学承诺实现了对用户随机种子的隐藏和绑定，使得用户可以先公开自己的承诺，作为参与抽签的凭证，等到一段时限后(抽签的报名阶段结束)公布自己的随机种子，作为这次抽签服务的随机源，既避免了某些恶意节点提前观察到其他人的随机种子，操纵抽签结果，又防止参与抽签的用户随意更改自己的随机种子，影响抽签的公平性；

3、本发明通过智能合约模块实现抽签业务，合约提供用户抽签的注册，抽签凭证生成，随机数验证等功能，保证整个业务流程的透明，在本方案中，可验证函数的计算在线下进行，计算结果通过智能合约中的验证函数被公开验证，保证了随机数生成方案的效率和公开可验证。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明系统框架图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例：

如图1，根据本发明提供的一种利用可验证延迟函数的分布式抽签系统，包括：业务合约模块，可验证延迟函数验证合约模块，用户客户端，密码算法组件。

业务合约提供抽奖的发起，注册，开奖等功能，定义了抽奖的线上逻辑和规则。

验证合约模块提供用户提交的随机种子的验证。

密码算法组件提供了抽奖方案相关的密码服务，比如随机数生成器，可验证函数计算等。

用户客户端主要用来发起参与抽奖请求，上传用户随机数等。

各模块之间的关系为机构A通过业务合约发布了抽奖活动和活动规则，个人B通过客户端发起参与抽奖的请求。抽奖所需的随机数由所有参与抽奖的用户共同生成，因此，需要用户通过密码学组件生成随机数，并且通过可验证延迟函数计算共同生成的随机数。由验证合约验证随机数生成的正确性，并最终确认结果。

所述业务合约模块包含用户注册，抽奖凭证记录，抽奖等功能；

所述验证合约模块包含随机数验证和读取功能；

所述用户客户端包含合约交互模块和抽奖线下业务逻辑；

所述密码算法组件包含随机数发生器，密码学承诺模块和可验证函数计算模块；

业务合约在初始化阶段将设定抽签相关的参数，比如中奖的人数m，抽签报名的截止时间t0，随机种子上传的截止t1时间等，并绑定验证合约地址，来提供抽签随机数的验证服务和读取功能。合约主要存储用户注册的公钥地址，参与抽奖的凭证(承诺)，参与者的随机种子和最终结果。其中，公钥地址，抽奖凭证和随机种子由链下客户端提供，抽签的最终结果由验证合约验证后提供。

所述密码算法组件包含方案所使用的密码学算法，主要包含三个部分随机数发生器、密码学承诺和可验证延迟函数。本方案不限定随机数发生器具体实现，用户可以根据自己的需求选择随机数生成器方案，比如利用硬件设备作为随机熵源等。整个抽签方案的随机性由所有参与抽签的节点提供，因此只要一个用户产生的随机种子拥有较高的随机性，最终结果的随机性就能得到保证。密码学承诺方案可以由哈希函数(Hash)实现。承诺包含两个阶段：承诺阶段和揭示阶段。在承诺阶段中，所有用户线下计算承诺值Hash(r，s)，其中s是用户的随机种子值，r作为盲因子，起到保护随机种子的作用，用户需要将承诺值公开。在揭示阶段中，用户需要打开承诺，具体操作为公开承诺阶段的使用的盲因子r和种子s，其他用户可以通过重新计算承诺，验证r和s的正确性。承诺方案提供了隐藏性和绑定性两个特性，使得用户可以先公开自己的承诺，作为参与抽签的凭证，等到一段时限后(抽签的报名时间t0)公布自己的随机种子。链上合约在验证承诺后，记录用户的随机种子作为后续随机数生成的输入。上述方式避免了用户提前观察到其他人的随机种子，又防止用户更改自己的随机种子，保证了所有用户在上传随机种子阶段的独立和安全。可验证延迟函数是一类数学函数，特征是函数结果的计算至少需要一定时间(该时间的长短可以通过参数的设置决定)，用户无法通过预计算和并行计算进行加速，而计算的结果对于输入来说是唯一确定的，计算结果的正确性可以通过生成证明的方式快速验证。因而，通过该函数保证了攻击者无法提前得知计算结果，从而决定是否上传自己的随机种子来影响最终的结果。可验证延迟函数包括三个子函数Setup(),VDF_eval(s)和VDF_verify(r,pi)，其中Setup设定了函数的时间参数和安全参数，VDF_eval(s)根据输入s计算结果r和证明pi，VDF_verify(r,pi)验证结果r的正确性。在本方案中，出于效率的考虑，将VDF函数的计算放在链下进行，验证放在链上合约进行。

所述验证合约主要提供随机数的验证和读取功能。由于引入了可验证延迟函数(VDF)合约初始化阶段需要VDF相关的时间参数和安全参数，上述参数决定了该函数的延迟时间。同时该合约还需要绑定业务合约的地址作为结果的反馈地址。该合约实现了可验证延迟函数的验证函数。链下节点在完成计算后，可以上传计算结果和相应的证明。验证合约将结果和证明作为Verify函数的输入，验证通过，将计算结果反馈到业务合约中；验证不通过，则继续等待其他链下节点上传计算结果。这里可以选择性地引入惩罚机制，防止链下计算节点的恶意行为。

所述客户端包括合约交互模块和抽签线下逻辑。交互模块实现了与链上合约的交互，上传请求数据和接收返回结果。业务逻辑主要包括如下几个操作步骤：用户注册、抽奖凭证管理、随机种子上传、随机数计算和验证以及抽签结果输出，上述步骤都需要链上合约和线下客户端交互实现。

根据上述模块的表述，完整的业务流程如下：

(1)用户在业务合约中注册自己的公钥地址；

(2)用户在客户端中生成随机种子和承诺，作为抽签凭证，在t0时间内上传到业务合约中；

(3)t0时间后，用户在t1时间内上传自己的随机种子s，业务合约在验证种子和凭证的正确性后，存储随机种子；

(4)t1时间后，链下节点读取业务合约中所有用户参与的随机种子，并计算VDF_eval(s1，s2，...)，得到最终的随机数r和证明pi，将结果和证明返回到验证合约；该计算是密码学中通用的函数，比如离散对数问题(计算某个数g的n次方)，该类函数有个特点就是计算需要串行进行，即无法直接得出g的n次方结果，需要一次次累乘。但是这类计算的验证可以很快计算，不同的计算函数有不同的验证方法。本专利主要是可验证函数的应用，对这个函数本身的方案没有创新。

(5)验证合约计算VDF_verify(r，pi)验证随机数的正确性，验证通过后返回到业务合约；

(6)业务合约根据随机数和设定抽奖规则，返回最终抽签结果。

所述密码算法组件中的随机数发生器可以通过可验证随机数函数(VRF)的方式；

所述证抽签业务合约可以通过引入模板合约的方式，支持更多的抽签规则；

所述证抽签业务合约可以通过引入数字身份(DID)的方式，实现对参与抽签用户身份的认证，从而可以支持更多的线下场景，比如摇号等；

在线上抽奖这样的实施例中，假设某个人A想要参与这个抽奖活动，A需要拥有区块链上的账户地址，在抽奖系统中完成地址的注册。同时在线下生成自己的随机种子，并生成对应的密码学承诺，提交到链上业务合约中，作为参与抽奖的凭证。在抽奖的报名阶段结束后，A需要上传自己的随机种子，链上合约将该种子和A的凭证进行验证，验证通过后记录该种子。在随机种子收集阶段结束后，可以在链下由活动主办者通过可验证延迟函数(VDF)生成随机数，随机数生成后，提交到链上的验证合约进行，因此该随机数的生成无法被计算者操作。验证合约验证通过后，该随机数存储在业务合约中，作为这次抽签结果的存证。同时，与该随机数差值最小的用户地址作为本次抽奖的中奖用户，A可以通过查看链上的结果，得知抽奖结果。

本发明适用于在分布式系统中进行随机抽签的场景中，例如在Dapp中进行抽奖或者区块链共识过程中选取共识节点等。方案利用密码学承诺和随机数发生器作为整个抽签服务的随机源输入，避免了传统抽签方案中的单点风险，保证了抽签的透明性。需要参与抽签的用户需要首先在线下，通过随机数发生器，产生自己的私密随机种子，并生成对应的承诺。该承诺需要提交到链上智能合约中，作为用户参与的存证。同时为了防止少数恶意节点对方案随机性的攻击，引入了可验证延迟函数(VDF)，保证了抽签过程中的公平性和不可预测性。抽签过程中的承诺，随机种子和最终的随机数将永久记录在区块链账本中，保证公开可验证和不可篡改。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于可验证延迟函数的分布式抽签系统，其特征在于，包括：

业务合约模块：进行抽奖的发起、用户注册和开奖，并定义抽奖的线上逻辑和规则；

验证合约模块：验证用户提交的随机数的正确性；

用户客户端：发起参与抽奖请求和上传用户随机数；

密码算法组件：在随机数生成和验证随机数时给予计算支持。

2.根据权利要求1所述的基于可验证延迟函数的分布式抽签系统，其特征在于，所述业务合约模块包括：

在初始化阶段设定抽签人数、报名时间、上传随机数的时间，并绑定验证合约的地址。

3.根据权利要求1所述的基于可验证延迟函数的分布式抽签系统，其特征在于，所述验证合约模块包括：

验证和读取生成的随机数；

存储用户注册的公钥地址、抽奖凭证、随机数和最终结果；

所述公钥地址、抽奖凭证和随机数由链下用户客户端提供，抽签的最终结果由验证合约模块验证后提供。

4.根据权利要求1所述的基于可验证延迟函数的分布式抽签系统，其特征在于，所述用户客户端包括合约交互模块和业务逻辑；

所述合约交互模块用于与链上合约交互，上传请求数据和接收返回结果；

所述业务逻辑包括用户注册、抽奖凭证管理、随机数上传、随机数计算和验证以及抽签结果输出。

5.根据权利要求1所述的基于可验证延迟函数的分布式抽签系统，其特征在于，所述密码算法组件包括：

随机数发生器：通过硬件设备作为随机熵源；

密码学承诺：由哈希函数实现；

可验证延迟函数：在预设时间内计算不可变的结果。

6.根据权利要求5所述的基于可验证延迟函数的分布式抽签系统，其特征在于，密码学承诺包括承诺阶段和揭示阶段；

在承诺阶段中，所有用户线下计算承诺值Hash(r，s)，其中s是用户的随机数，r为盲因子，起到保护随机数的作用，用户将承诺值公开；

在揭示阶段中，用户打开承诺，其他用户通过重新计算承诺，验证随机数值和盲因子的正确性。

7.根据权利要求6所述的基于可验证延迟函数的分布式抽签系统，其特征在于，所述可验证延迟函数包括三个子函数：

Setup()：设定函数的时间参数和安全参数；

VDF_eval(s)：根据输入随机数s计算结果r和证明pi；

VDF_verify(r,pi)：验证结果r的正确性；

验证合约模块将结果和证明作为Verify函数的输入，若验证通过，则将计算结果反馈到业务合约中；若验证不通过，则继续等待其他链下节点上传计算结果。

8.根据权利要求1所述的基于可验证延迟函数的分布式抽签系统，其特征在于，业务合约通过引入模板合约的方式，支持更多的抽签规则。

9.根据权利要求1所述的基于可验证延迟函数的分布式抽签系统，其特征在于，业务合约通过引入数字身份的方式，对参与抽签的用户进行身份认证。

10.一种基于可验证延迟函数的分布式抽签方法，其特征在于，采用权利要求1-9中任一种所述的基于可验证延迟函数的分布式抽签系统，包括：

步骤1：通过业务合约发布抽奖活动和活动规则；

步骤2：通过客户端发起参与抽奖的请求；

步骤3：通过密码算法组件生成随机数，并通过可验证延迟函数验证生成的随机数；

步骤4：验证随机数生成的正确性，并确认最终结果。

Images