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Ethereum Smart Contracts 裡的 PRNG

現代密碼學的安全性有很大一塊是基於亂數產生器 (RNG) 非常難被預測。如果這個前提不成立的話,利用亂數產生器產生出來的各種資訊都會被預測出來 (尤其是 Private Key)。

但真正的 RNG 需要靠硬體支援,而且產生速度很慢,一般都會使用 PRNG (Pseudorandom number generator) 產生。也就是「看起來」很亂的亂數產生器。

PRNG 通常是指在統計學上通過許多測試,像是在多種測試都是 Discrete uniform distribution,不需要防止有惡意人,可以從產生出的 PRNG 的值而推導出後續結果的用途。

在「Predicting Random Numbers in Ethereum Smart Contracts」這篇裡面,作者列出了一堆實做 Ethereum Smart Contracts 卻誤用 PRNG 的行為。

文章裡提到的問題都是因為 PRNG 拿著可被預測的資訊當作 entropy source (e.g. seed),而且提出來的範例都是拿 block 本身或衍生的資訊 (像是 block 的 hash) 來用:

  • PRNGs using block variables as a source of entropy
  • PRNGs based on a blockhash of some past block
  • PRNGs based on a blockhash of a past block combined with a seed deemed private
  • PRNGs prone to front-running

然後列了大量的程式碼當例子,建議有需要接觸的人看過一次,或是有時間的人都值得看這些負面範例... XDDD

不過作者在文章裡面也給了一堆有問題的方法,像是從外部網站取得亂數之類的 XDDD

正確的方法是使用 CSPRNG (Cryptographically secure pseudorandom number generator),這是專門設計給密碼學用的 PRNG。

CSPRNG 有幾種方法可以取得:

  • 在大多數的程式語言內都有對應的 library 可以用,另外在比較近代的瀏覽器內 (如果問 IE 的話,是 11+),可以透過 RandomSource.getRandomValues() 得到。
  • 如果打算自己搞底層而需要直接取得 CSPRNG 的產出,在 Unix-like 的環境下可以透過 /dev/urandom 取得,在 Microsoft Windows 下則可以透過 CryptGenRandom 取得。

別學作者那邊奇怪方法啊 XDDD

V8 的 Math.random() 亂度不足的問題

在「TIFU by using Math.random()」這篇看到作者踩到地雷,於是在討論 V8 EngineMath.random() 的亂度不足。

其實這個問提早在 2012 年就有人在 StackOverflow 上詢問:「Why is Google Chrome's Math.random number generator not *that* random?」,而且也回答得很清楚。

而 Mozilla 這邊在 2006 年也被提出了類似的問題:「Bug 322529 - Upgrade Math.random() to a better algorithm, such as Mersenne Twister」。

文章中間花了許多篇幅講 PRNG 的介紹,以及 cycle length 的說明,重點其實在結論的部份。

主要是因為 V8 Engine 的 Math.random() 實作的是 MWC1616 演算法 (Fast random number generation using 128 bit multimedia extension registers on Pentium class machines),而這個演算法用起來也綁手綁腳:

If you’re only using the most significant 16 bits it has a very short effective cycle length (less than 2³⁰).

有兩個方向可以改善 (不衝突的方向),一個是使用 CSPRNG (保證有極長的 cycle length),另外一個請求 V8 Engine 把 Math.random() 的演算法換掉,像是 MT19937 這類 cycle length 超級長的演算法。

不知道後續有沒有機會改善...

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