📜 [專欄新文章] Ethereum RNG (RANDAO & VDF)
✍️ Kimi Wu
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Ethereum RNG solution（RANDAO & VDF）

RNG是Random Number Generator，也就是亂數產生器

在現實世界中要產生真正的隨機數，其實不容易，各個語言的library所提供的隨機數，都是偽隨機數，是可以預測的，不過在大部分的應用場域，都是可以應付的。區塊鏈的世界，面對的是全世界的人，怎麼產生不可預測的隨機數，就很重要，不然就可以被有心人所操作。例如Ethereum Beacon chain(POS chain)中的validator/attester(產塊跟驗證的角色)，若是可以被預測，那大概就沒有人會相信這條鏈了。而這也是Ethereum Serenity(Eth-2.0)，所遇到的問題之一。目前隨機數的產生，就由RANDOA + VDF所產生，以下就分別介紹

ＲＡＮＤＡＯ

RANDAO是利用經濟模式（獎勵跟處罰）的方式，促使在公共場域中能產生隨機變數

原理很簡單，想參加的人把拿錢來抵押，需要產生隨機數的人要付錢。所以參加者就可以從中分潤，當然不守規矩抵押的錢也就會被沒收，利用獎勵跟處罰的方式迫使大家都守規矩。詳細步驟如下：

首先，會有個收集seed的時間，例如6個block的時間。接著，想參與的人，投入某個數量的ETH到RANDAO這個smart contract（作質押），然後附上secret（某個只有你知道的值s，然後作sha3）。

等收集時間結束，就是驗證時間。此階段所有參與著需要把s傳入smart contract做驗證，smart contract會把s作sha3，去驗證是不是跟第一階段傳進來的一致。最終會把驗證過的s當作seed去產生隨機數。

最後，就是產生隨機數，然後把隨機數傳給之前有請求過的contract。然後歸還質押的ETH跟利潤分給參與者。

此外有幾個附加條件

第一階段若收集到數筆一樣的secret，只接受第一筆

第一階段會規定基本人數，若結束後未到達人數門檻，則此次的產生就失敗

若第二階段需提供s3.1 若未提供，則質押的ETH會被沒收3.2 若此階段有一個以上參與著未提供s，則此次產生失敗，並且把沒收的 ETH分給有提供s的參與者。且退還請求者所支付的ETH。

ＶＤＦ

VDF 全名為Verifiable delay functions，從字面上有點難懂在幹嘛，從運作方面做解釋，就是輸入一個值，然後運算一段時間(delay)，得出一個結果，最後這個結果是可以被輕易驗證的。如下列算式，

f(x) = g(g(g(g(….g(x)….)))) where g(x) = xor(x^((p+1)/4), 1) mod p 其反函數為h(x) = xor(x, 1)² mod p

上面提到「運算一段時間」的運算，其實是重複做同一種運算，從數學式看就很清楚，把x帶入g(x)，然後把算出的結果再帶入g(x)。所以同一段時間，如果能迭代的次數比其他人多，那其他人就猜不到結果，也就沒辦法預測亂數結果。

最後，介紹一下這兩個方法怎麼運用在Ethereum Serenity中

首先，RANDAO會在內建在Beacon chain的邏輯中，而不是一個獨立的smart contract，但RANDAO有個缺點，就是最後一位可以預測/操縱結果。如下圖，因為最後一位可以知道前面的值，所以在最後可以決定要出值或是不出，因此可以操縱結果。(目前epoch是64個slot，而每個slot是6秒，所以epoch約是6.4 minutes)
source : Justin Drake slides on DevCon4
所以設計上除了RANDAO，還多一層VDF。 VDF把RANDAO產生出來的亂數當種子去產生亂數，而且計算時間要夠長（至少要一個epoch，目前規劃是10個epoch，不過相信還會有變動），如下圖
source : Justin Drake slides on DevCon4
實際的lifecycle會像這樣，在VDF計算完後，會有一個epoch的緩衝讓這個亂數可以上鏈，然後接著下一個RANDAO mixing。
source : Justin Drake slides on DevCon4
但問題來了，怎麼確保沒有人算得比你快？？

所以Ethereum Foundation計畫做硬體，設計新的ASIC晶片來計算VDF，以確保沒人可以預測最終的亂數。實際設計當然不是Foundation的researcher們，他們找了學界跟產業的IC design專家做設計，因為硬體研發費用龐大，Filecoin也一起支援這項計畫。更多細節的部分，可以參考Minimal VDF randomness beacon

other references :RANDAO中文白皮書Justin Drake explains “Ethereum 2.0 randomness” on Devcon4

Originally published at kimiwublog.blogspot.com.

Ethereum RNG (RANDAO & VDF) was originally published in Taipei Ethereum Meetup on Medium, where people are continuing the conversation by highlighting and responding to this story.

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Gorilla 是 Facebook 這兩年開發的 time-series 資料庫，這篇論文是去年下半年就已經發表了，小編當時想說找時間慢慢看，沒想到已經有強者寫了一篇導讀文，真的是該拜一下 XD

Facebook 為了要讓監控系統操作人員快速容易取得系統發生狀況時的主因，並同時兼顧高效率、可擴充性及可靠度，所以開發了這套 in-memory 的 TSDB。

Facebook 在 Gorilla 上面存了許多系統資料，比如說 CPU loading, latency......等，而且每秒可以存上千萬級的資料點，相同資料只需要幾毫秒就能取得。

另外 Gorilla 要接受的挑戰還有以下這些：

* 一個字串可以一次表示 20 億個時序數字
* 1 分鐘可以存 70 億筆 timestamp 及數值
* 可以存 26 個小時的資料
* 高峰時 1 秒可以容納 4 萬個以上的讀取
* 1 毫秒以內可以讀取成功
* 能支援 15 秒的粒度
* 不在同一區域，但又要相同的兩份 in-memory 資料
* 單一台伺服器當掉時仍然可以正常讀取資料
* 可以很快速的掃描所有資料
* 至少支援每年 2 倍以上的成長。

這篇文章內另外介紹的是 Gorilla 如何壓縮資料，用的是 delta of delta 及 XOR 運算，導讀文跟原論文的內容都很棒！推薦 Backend 的大家一讀！

* Gorilla: A Fast, Scalable, In-Memory Time Series Database: http://www.vldb.org/pvldb/vol8/p1816-teller.pdf

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