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WTF Solidity极简入门: 39. 链上随机数

我最近在重新学solidity,巩固一下细节,也写一个“WTF Solidity极简入门”,供小白们使用(编程大佬可以另找教程),每周更新1-3讲。

推特:@0xAA_Science

discord:WTF Academy

所有代码和教程开源在github: github.com/AmazingAng/WTFSolidity


很多以太坊上的应用都需要用到随机数,例如NFT随机抽取tokenId、抽盲盒、gamefi战斗中随机分胜负等等。但是由于以太坊上所有数据都是公开透明(public)且确定性(deterministic)的,它没法像其他编程语言一样给开发者提供生成随机数的方法。这一讲我们将介绍链上(哈希函数)和链下(chainlink预言机)随机数生成的两种方法,并利用它们做一款tokenId随机铸造的NFT

链上随机数生成

我们可以将一些链上的全局变量作为种子,利用keccak256()哈希函数来获取伪随机数。这是因为哈希函数具有灵敏性和均一性,可以得到“看似”随机的结果。下面的getRandomOnchain()函数利用全局变量block.numbermsg.senderblockhash(block.timestamp-1)作为种子来获取随机数:

    /** 
* 链上伪随机数生成
* 利用keccak256()打包一些链上的全局变量/自定义变量
* 返回时转换成uint256类型
*/
function getRandomOnchain() public view returns(uint256){
// remix运行blockhash会报错
bytes32 randomBytes = keccak256(abi.encodePacked(block.number, msg.sender, blockhash(block.timestamp-1)));

return uint256(randomBytes);
}

注意:,这个方法并不安全:

  • 首先,block.numbermsg.senderblockhash(block.timestamp-1)这些变量都是公开的,使用者可以预测出用这些种子生成出的随机数,并挑出他们想要的随机数执行合约。
  • 其次,矿工可以操纵blockhashblock.timestamp,使得生成的随机数符合他的利益。

尽管如此,由于这种方法是最便捷的链上随机数生成方法,大量项目方依靠它来生成不安全的随机数,包括知名的项目meebitsloots等。当然,这些项目也无一例外的被攻击了:攻击者可以铸造任何他们想要的稀有NFT,而非随机抽取。

链下随机数生成

我们可以在链下生成随机数,然后通过预言机把随机数上传到链上。Chainlink提供VRF(可验证随机函数)服务,链上开发者可以支付LINK代币来获取随机数。 Chainlink VRF有两个版本,因为第二个版本需要官网注册并预付费,且用法类似,这里只介绍第一个版本VRF v1

Chainlnk VRF

我们将用一个简单的合约介绍使用Chainlink VRF的步骤。RandomNumberConsumer合约可以向VRF请求一个随机数,并存储在状态变量randomResult中。

1. 用户合约继承VRFConsumerBase并转入LINK代币

为了使用VRF获取随机数,合约需要继承VRFConsumerBase合约,并在构造函数中初始化VRF Coordinator地址,LINK代币地址,唯一标识符Key Hash,和使用费用fee

注意: 不同链对应不同的参数,在这里查询。

教程中我们使用Rinkeby测试网。部署好合约后,用户需要向合约转一些LINK代币,测试网的LINK代币可以从LINK水龙头领取。

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.4;

import "@chainlink/contracts/src/v0.8/VRFConsumerBase.sol";

contract RandomNumberConsumer is VRFConsumerBase {

bytes32 internal keyHash; // VRF唯一标识符
uint256 internal fee; // VRF使用手续费

uint256 public randomResult; // 存储随机数

/**
* 使用chainlink VRF,构造函数需要继承 VRFConsumerBase
* 不同链参数填的不一样
* 网络: Rinkeby测试网
* Chainlink VRF Coordinator 地址: 0xb3dCcb4Cf7a26f6cf6B120Cf5A73875B7BBc655B
* LINK 代币地址: 0x01BE23585060835E02B77ef475b0Cc51aA1e0709
* Key Hash: 0x2ed0feb3e7fd2022120aa84fab1945545a9f2ffc9076fd6156fa96eaff4c1311
*/
constructor()
VRFConsumerBase(
0xb3dCcb4Cf7a26f6cf6B120Cf5A73875B7BBc655B, // VRF Coordinator
0x01BE23585060835E02B77ef475b0Cc51aA1e0709 // LINK Token
)
{
keyHash = 0x2ed0feb3e7fd2022120aa84fab1945545a9f2ffc9076fd6156fa96eaff4c1311;
fee = 0.1 * 10 ** 18; // 0.1 LINK (VRF使用费,Rinkeby测试网)
}

2. 用户合约申请随机数

用户可以调用从VRFConsumerBase合约继承来的requestRandomness()申请随机数,并返回申请标识符requestId。这个申请会传递给VRF合约。

    /** 
* 向VRF合约申请随机数
*/
function getRandomNumber() public returns (bytes32 requestId) {
// 合约中需要有足够的LINK
require(LINK.balanceOf(address(this)) >= fee, "Not enough LINK - fill contract with faucet");

return requestRandomness(keyHash, fee);
}

3. Chainlink节点链下生成随机数和数字签名,并发送给VRF合约

4. VRF合约验证签名有效性

5. 用户合约接收并使用随机数

VRF合约验证签名有效之后,会自动调用用户合约的回退函数fulfillRandomness(),将链下生成的随机数发送过来。用户要把消耗随机数的逻辑写在这里。

注意: 用户申请随机数时调用的requestRandomness()VRF合约返回随机数时调用的回退函数fulfillRandomness()是两笔交易,调用者分别是用户合约和VRF合约,后者比前者晚几分钟(不同链延迟不一样)。

    /**
* VRF合约的回调函数,验证随机数有效之后会自动被调用
* 消耗随机数的逻辑写在这里
*/
function fulfillRandomness(bytes32 requestId, uint256 randomness) internal override {
randomResult = randomness;
}

tokenId随机铸造的NFT

这一节,我们将利用链上和链下随机数来做一款tokenId随机铸造的NFTRandom合约继承ERC721VRFConsumerBase合约。

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.4;

import "https://github.com/AmazingAng/WTFSolidity/blob/main/34_ERC721/ERC721.sol";
import "@chainlink/contracts/src/v0.8/VRFConsumerBase.sol";

contract Random is ERC721, VRFConsumerBase{

状态变量

  • NFT相关
    • totalSupplyNFT总供给。
    • ids:数组,用于计算可供minttokenId,见pickRandomUniqueId()函数。
    • mintCount:已经mint的数量。
  • Chainlink VRF相关
    • keyHash:VRF唯一标识符。
    • feeVRF手续费。
    • requestToSender:记录申请VRF用于铸造的用户地址。
    // NFT相关
uint256 public totalSupply = 100; // 总供给
uint256[100] public ids; // 用于计算可供mint的tokenId
uint256 public mintCount; // 已mint数量
// chainlink VRF相关
bytes32 internal keyHash;
uint256 internal fee;
// 记录VRF申请标识对应的mint地址
mapping(bytes32 => address) public requestToSender;

构造函数

初始化继承的VRFConsumerBaseERC721合约的相关变量。

    /**
* 使用chainlink VRF,构造函数需要继承 VRFConsumerBase
* 不同链参数填的不一样
* 网络: Rinkeby测试网
* Chainlink VRF Coordinator 地址: 0xb3dCcb4Cf7a26f6cf6B120Cf5A73875B7BBc655B
* LINK 代币地址: 0x01BE23585060835E02B77ef475b0Cc51aA1e0709
* Key Hash: 0x2ed0feb3e7fd2022120aa84fab1945545a9f2ffc9076fd6156fa96eaff4c1311
*/
constructor()
VRFConsumerBase(
0xb3dCcb4Cf7a26f6cf6B120Cf5A73875B7BBc655B, // VRF Coordinator
0x01BE23585060835E02B77ef475b0Cc51aA1e0709 // LINK Token
)
ERC721("WTF Random", "WTF")
{
keyHash = 0x2ed0feb3e7fd2022120aa84fab1945545a9f2ffc9076fd6156fa96eaff4c1311;
fee = 0.1 * 10 ** 18; // 0.1 LINK (VRF使用费,Rinkeby测试网)
}

其他函数

除了构造函数以外,合约里还定义了5个函数。

  • pickRandomUniqueId():输入随机数,获取可供minttokenId

  • getRandomOnchain():获取链上随机数(不安全)。

  • mintRandomOnchain():利用链上随机数铸造NFT,调用了getRandomOnchain()pickRandomUniqueId()

  • mintRandomVRF():申请Chainlink VRF用于铸造随机数。由于使用随机数铸造的逻辑在回调函数fulfillRandomness(),而回调函数的调用者是VRF合约,而非铸造NFT的用户,这里必须利用requestToSender状态变量记录VRF申请标识符对应的用户地址。

  • fulfillRandomness()VRF的回调函数,由VRF合约在验证随机数真实性后自动调用,用返回的链下随机数铸造NFT

    /** 
* 输入uint256数字,返回一个可以mint的tokenId
*/
function pickRandomUniqueId(uint256 random) private returns (uint256 tokenId) {
uint256 len = totalSupply - mintCount++; // 可mint数量
require(len > 0, "mint close"); // 所有tokenId被mint完了
uint256 randomIndex = random % len; // 获取链上随机数

//随机数取模,得到tokenId,作为数组下标,同时记录value为len-1,如果取模得到的值已存在,则tokenId取该数组下标的value
tokenId = ids[randomIndex] != 0 ? ids[randomIndex] : randomIndex; // 获取tokenId
ids[randomIndex] = ids[len - 1] == 0 ? len - 1 : ids[len - 1]; // 更新ids 列表
ids[len - 1] = 0; // 删除最后一个元素,能返还gas
}

/**
* 链上伪随机数生成
* keccak256(abi.encodePacked()中填上一些链上的全局变量/自定义变量
* 返回时转换成uint256类型
*/
function getRandomOnchain() public view returns(uint256){
// remix跑blockhash会报错
bytes32 randomBytes = keccak256(abi.encodePacked(block.number, msg.sender, blockhash(block.timestamp-1)));
return uint256(randomBytes);
}

// 利用链上伪随机数铸造NFT
function mintRandomOnchain() public {
uint256 _tokenId = pickRandomUniqueId(getRandomOnchain()); // 利用链上随机数生成tokenId
_mint(msg.sender, _tokenId);
}

/**
* 调用VRF获取随机数,并mintNFT
* 要调用requestRandomness()函数获取,消耗随机数的逻辑写在VRF的回调函数fulfillRandomness()中
* 调用前,把LINK代币转到本合约里
*/
function mintRandomVRF() public returns (bytes32 requestId) {
// 检查合约中LINK余额
require(LINK.balanceOf(address(this)) >= fee, "Not enough LINK - fill contract with faucet");
// 调用requestRandomness获取随机数
requestId = requestRandomness(keyHash, fee);
requestToSender[requestId] = msg.sender;
return requestId;
}

/**
* VRF的回调函数,由VRF Coordinator调用
* 消耗随机数的逻辑写在本函数中
*/
function fulfillRandomness(bytes32 requestId, uint256 randomness) internal override {
address sender = requestToSender[requestId]; // 从requestToSender中获取minter用户地址
uint256 _tokenId = pickRandomUniqueId(randomness); // 利用VRF返回的随机数生成tokenId

_mint(sender, _tokenId);
}

remix验证

1. 在Rinkeby测试网部署Random合约

合约部署

2. 利用Chainlink水龙头获取测试网的LINKETH

Rinkeby测试网领取LINK和ETH

3. 将LINK代币转入Random合约

合约部署后,拷贝合约地址,像普通转账一样,通过小狐狸钱包转账LINK到合约地址 LINK转入合约

4. 利用链上随机数铸造NFT

remix界面中,点击左侧橙色函数mintRandomOnchainmintOnchain,在弹出的小狐狸钱包中点击确认,利用链上随机数铸造交易就开始了

链上随机数铸造

同理,在remix界面中,点击左侧橙色函数mintRandomVRF,在弹出的小狐狸钱包中点击确认,利用Chainlink VRF链下随机数铸造交易就开始了

注意: 采用VRF铸造NFT时,发起交易和铸造成功不在同一个区块

VRF铸造开始交易 VRF铸造成功交易

6. 验证NFT已被铸造

通过以上截图可以看出,本例中,tokenId=87NFT被链上随机铸造出来,tokenId=77NFTVRF铸造出来。

总结

Solidity中生成随机数没有其他编程语言那么容易。这一讲我们将介绍链上(哈希函数)和链下(chainlink预言机)随机数生成的两种方法,并利用它们做一款tokenId随机铸造的NFT。这两种方法各有利弊:使用链上随机数高效,但是不安全;而链下随机数生成依赖于第三方提供的预言机服务,比较安全,但是没那么简单经济。项目方要根据业务场景来选择适合自己的方案。

除此以外,还有一些组织在尝试RNG(Random Number Generation)的新鲜方式,如randao就提出以DAO的模式来提供一个on-chaintrue randomness的服务