区块链中的数学（四十二）---基于RSA的VRF（随机可验证函数）

科技2022-07-13 134

文章来源区块链技术公众号“blocksight”，原文欢迎关注！

写在前面

上一节说了VRF（随机可验证函数）概述，由于VRF是与公钥密码学相结合的，自然少不了最常见的公钥密码学体制RSA和椭圆曲线EC。

本文开始讲基于RSA的VRF实现，关于RSA算法的知识如果不熟悉，可先参考文末“相关阅读”部分。

RSA-FDH-VRF

基于RSA实现的VRF记为RSA-FDH-VRF，满足可信唯一性，可信抗碰撞性和全伪随机性（trusted uniqueness", "trusted collision resistance", "full pseudorandomness"），关于些安全性要求，上一节均有所介绍。

VRF使用RSA签名，在输入alpha上计算证明P。RSA签名验证用于验证证明的正确性。VRF哈希输出R，只需使用所选哈希算法对证明P进行散列即可得到。

符号约定

(n, e) - RSA 公钥 K - RSA 私钥 k - RSA 模 n字节长度 (k < 2^32) I2OSP - 非负整数转成字符串 OS2IP - 字符串转化为非负整数 RSASP1 - RSA 签名算法 RSAVP1 - RSA 验证签名算法 MGF1 - 掩码生成函数

这里着重说一下掩码生成函数的逻辑。 MGF1是基于散列函数的掩码生成函数，在RSA最优非对称加密填充一文中，提到的公共单向函数G其实就是掩码生成函数。这里详细讲一下其过程。方法： MGF1 (mgfSeed, maskLen)

参数： mgfSeed 掩码生成操作的目标字符串 maskLen 生成掩码长度，最多可选参数： Hash 哈希方法

输出: maskLen长度的掩码

执行过程比较清晰，参照如下Python代码：

def mgf1(mgf_seed, mask_len, hash_type="SHA256"): ''' Mask Generation Function based on a hash function as defined in Section B.2.1 of [RFC8017] @Input: mgs_seed - seed from which mask is generated, an octet string mask_len - intended length in octets of the mask, at most 2^32 hLen hash_type - the digest hash function to use, default is SHA1 Outout: mask: an octet string of length mask_len ''' hash_class = hashlib.new(hash_type) # get hash length given hash function h_len = hash_class.digest_size # If maskLen > 2^32 hLen, output "mask too long" and stop. if mask_len > 0x10000: raise ValueError('mask too long') # Let T be the empty octet string. T = b'' hash_class.update(mgf_seed.encode(encoding='UTF-8')) # For counter i from 0 to \ceil (mask_len / h_len) - 1 for i in range(0, integer_ceil(mask_len, h_len)): # Convert counter to an octet string C of length 4 octets C = RSA_FDH_VRF.i2osp(i, 4) # Concatenate the hash of the seed mgfSeed and C to the octet string T # T = T || Hash(mgfSeed || C) # temp = (mgf_seed + C.decode(encoding='UTF-8')).encode(encoding='UTF-8') # temp = b"".join([mgf_seed.encode(encoding='UTF-8'), C]) hash_class.update(C) # T = T + hash_class.digest() T = b"".join([T, hash_class.digest()]) # Output the leading maskLen octets of T as the octet string mask. return T[:mask_len]

其中i2osp方法参考符号约定说明，不再赘述。

证明生成过程

方法： RSAFDHVRF_prove(K, alpha_string) 参数： K - RSA 私钥 alpha_string - 原始消息返回值: pi_string - 长度为k的证明字符串

执行主要过程:

one_string = 0x01 = I2OSP(1, 1)

EM = MGF1(one_string || I2OSP(k, 4) || I2OSP(n, k) || alpha_string, k - 1)

m = OS2IP(EM)

s = RSASP1(K, m)

pi_string = I2OSP(s, k)

返回 pi_string

证明验证过程

方法： RSAFDHVRF_verify((n, e), alpha_string, pi_string) 参数： (n, e) - RSA 公钥 alpha_string - 原始消息 pi_string - 证明字符串输出：合法如果验证通过

执行主要过程:

s = OS2IP(pi_string)

m = RSAVP1((n, e), s)

EM = I2OSP(m, k - 1)

one_string = 0x01 = I2OSP(1, 1)

EM' = MGF1(one_string || I2OSP(k, 4) || I2OSP(n, k) || alpha_string, k - 1)

如果EM == EM' 则是合法证明，否则返回非法。

所用到的方法，符号约定中有所说明，具体实现各编程语言略有不同。

小结

本文主要介绍了VRF基于RSA公钥体制的实现，如果对RSA原理比较熟悉，那么就比较容易理解了。其中掩码生成函数在密码学中应用较多，后续还有可能提到。

完整的具体实现代码可参照：https://github.com/DreamWuGit/RSA-VRF

最近（其实一直都有）有朋友说我数学不好，看起来困难，所以不能坚持看下去，对此我只能说：春种秋收，播种和收获不在同一个季节

我们很小的时候，什么都不会，各方面都不好，现在不也会了很多吗？靠的就是不断的学习，或者说，能否保持持续的学习状态，是一个人后天发展程度一个重要因素。想要怯懦退缩，理由有千万个，想要前进，方法却少的可怜，可能只有一两个，这是严重不对称的！

好了，之前说了有两种VRF与公钥体制实现的方式，下一篇继续说另一种基于椭圆曲线公钥体制的VRF算法！

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