SC Insecure Randomness | 牛的大腦

隨機數生成在諸如賭博、遊戲贏家選擇或隨機種子生成等應用中至關重要。然而，在以太坊上生成隨機數是一項挑戰，因為以太坊的區塊鏈是確定性的（Deterministic），即所有節點必須對同一輸入產生相同結果，這使得生成真正的隨機數幾乎不可能。因此，Solidity 通常依賴偽隨機（Pseudorandom）因素來模擬隨機性。此外，Solidity 中的複雜計算會消耗大量 gas，增加了設計隨機數生成器的成本。

開發者常使用區塊鏈相關資訊來生成隨機數，但這些方法不安全，因為它們可能被礦工（Miners）或攻擊者操縱。常見的不安全隨機數生成來源包括：

block.timestamp：當前區塊的時間戳。
blockhash(uint blockNumber)：指定區塊的哈希值（僅限最近 256 個區塊）。
block.difficulty：當前區塊的挖礦難度。
block.number：當前區塊編號。
block.coinbase：當前區塊的礦工地址。

這些來源容易被礦工操縱（例如，調整時間戳或選擇有利區塊），從而影響合約的隨機數生成結果。

範例（存在漏洞的合約）

以下是一個使用不安全隨機數生成的合約範例：

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.24;

contract Solidity_InsecureRandomness {
    constructor() payable {}

    function guess(uint256 _guess) public {
        uint256 answer = uint256(
            keccak256(
                abi.encodePacked(block.timestamp, block.difficulty, msg.sender) // Using insecure mechanisms for random number generation
            )
        );

        if (_guess == answer) {
            (bool sent,) = msg.sender.call{value: 1 ether}("");
            require(sent, "Failed to send Ether");
        }
    }
}

漏洞分析：

guess 函數：使用 block.timestamp、block.difficulty 和 msg.sender 結合 keccak256 來生成隨機數。
問題：
- 礦工可以操縱 block.timestamp（在合理範圍內調整時間戳）或 block.difficulty，影響 keccak256 的輸出。
- 攻擊者可能預測或通過試驗推導出隨機數（特別是在區塊數據公開後）。
- 這種隨機數生成方式並非真正的隨機，容易被操控，導致攻擊者能以高機率猜中 answer。

影響

不安全的隨機數生成可能導致以下嚴重後果：

不公平的遊戲或彩票結果：攻擊者可以預測或操縱隨機數，獲得不公平的優勢，從而在賭博、彩票或其他依賴隨機性的應用中獲勝。
資金損失：如範例所示，攻擊者可能猜中隨機數，提取合約中的資金，導致其他參與者或協議損失。
信任危機：不安全的隨機數破壞了合約的公平性和完整性，導致用戶對協議失去信任，影響其採用率和生態系統。

修復方法

為確保隨機數生成的公平性和安全性，開發者可採用以下方法：

使用外部預言機（Oracles）：

通過可信的外部隨機數來源（如 Oraclize）提供隨機數。但需謹慎選擇可信的預言機，或使用多個預言機來降低單點故障風險。

承諾方案（Commitment Schemes）：

採用「承諾-揭示」（Commit-Reveal）方法，參與者先提交加密承諾，後揭示結果，防止提前操縱。例如，RANDAO 是一種基於多方承諾的隨機數生成方案，適用於去中心化應用。

Chainlink VRF：

使用 Chainlink 的可驗證隨機函數（VRF），這是一種經過證明公平且可驗證的隨機數生成器，專為智能合約設計，確保隨機數不被操縱。

Signidice 演算法：

適用於涉及雙方的偽隨機數生成（PRNG），使用加密簽名來確保隨機性，適合特定場景。

比特幣區塊哈希：

通過如 BTCRelay 的預言機，從比特幣區塊鏈獲取區塊哈希作為隨機性來源。但需注意，礦工可能影響比特幣區塊內容，因此需謹慎實現。

安全隨機數的範例合約

以下是使用 Chainlink VRF 產生安全的隨機數生成合約：

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.24;

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

contract Solidity_InsecureRandomness is VRFConsumerBase {
    bytes32 internal keyHash;
    uint256 internal fee;
    uint256 public randomResult;

    constructor(address _vrfCoordinator, address _linkToken, bytes32 _keyHash, uint256 _fee) 
        VRFConsumerBase(_vrfCoordinator, _linkToken) 
    {
        keyHash = _keyHash;
        fee = _fee;
    }

    function requestRandomNumber() public returns (bytes32 requestId) {
        require(LINK.balanceOf(address(this)) >= fee, "Not enough LINK");
        return requestRandomness(keyHash, fee);
    }

    function fulfillRandomness(bytes32 requestId, uint256 randomness) internal override {
        randomResult = randomness;
    }

    function guess(uint256 _guess) public {
        require(randomResult > 0, "Random number not generated yet");
        if (_guess == randomResult) {
            (bool sent,) = msg.sender.call{value: 1 ether}("");
            require(sent, "Failed to send Ether");
        }
    }
}

修復內容：

使用 Chainlink VRF：

合約繼承 VRFConsumerBase，通過 requestRandomness 向 Chainlink VRF 請求隨機數。
fulfillRandomness 回調函數接收生成的隨機數，存儲在 randomResult 中。

檢查條件：

guess 函數要求 randomResult 已生成（> 0），確保隨機數有效。

總結

不安全的隨機數生成（如依賴 block.timestamp 或 block.difficulty）在以太坊的確定性環境中容易被操縱，導致不公平的遊戲結果、資金損失和信任危機。攻擊者可通過預測或影響隨機數獲取不當利益。修復方法包括使用 Chainlink VRF、承諾方案或可信預言機來確保隨機數的公平性和安全性。修復後的合約展示了如何整合 Chainlink VRF，提供可驗證的隨機數，防止操縱並保護合約的完整性。開發者應避免使用區塊鏈內部資料作為隨機數來源，並進行全面測試以確保隨機性安全。

範例（存在漏洞的合約）

影響

修復方法

安全隨機數的範例合約

總結

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