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预言机 Oracle 的原理和实现

 2 years ago
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Oracle

oracle 翻译是预言机，英文中的意思是预卜先知，知晓消息的意思。在区块链里用于合约获取链外的数据。例如你想把比特币转换成美元，如果在链上进行，那么就需要从链外获取比特币和美元的汇率，例如price feed oracles。但是以太坊是封闭的系统，直接与外界交互很容易破坏 EVM 安全性，因此才用了预言机作为中间层，沟通链上和链外。详细可见chainlink的文档和官方文档。

在以太坊上，oracle 是已经部署的智能合约和链外组件，它可以查询 API 提供的信息，然后给其他合约发消息，更新合约的数据。但是只相信唯一的数据源也是很不可靠的方式，通常是多个数据源。我们可以自己创建，也可以直接使用服务商提供的服务。

一般 oracle 机制如下：

  1. 到了需要链外数据的时候，合约触发事件。
  2. 链外的接口监听事件的日志。
  3. 链外接口处理事务，然后交易的方式返回数据给合约。

img

oracle 实例

下面是一个例子，从网络导入合约库，获取接口信息，然后创建合约类型 AggregatorV3Interface 的变量 priceFeed，然后结合获取的接口信息，在构造函数里创建在特定地址已经部署好的合约实例，调用函数priceFeed.latestRoundData()，返回的是元组，因此用多个数据接收。这样就获得了最新的 ETH 和 USD 的汇率。而我们导入的合约priceFeed** 以及它在链外的配套接口，被称作预言机 oracle。类似的，我们也可以通过 oracle 解决链上难以产生可靠的随机数的问题。 **

** **更多的例子可以看 chainlink 这些提供商，提供的文档，详细地说明了流程。也可以看这个教程。

// This example code is designed to quickly deploy an example contract using Remix.
​
pragma solidity ^0.6.7;
​
import "https://github.com/smartcontractkit/chainlink/blob/master/evm-contracts/src/v0.6/interfaces/AggregatorV3Interface.sol";
​
contract PriceConsumerV3 {
​
    AggregatorV3Interface internal priceFeed;
​
    /**
     * Network: Kovan
     * Aggregator: ETH/USD
     * Address: 0x9326BFA02ADD2366b30bacB125260Af641031331
     */
    constructor() public {
        priceFeed = AggregatorV3Interface(0x9326BFA02ADD2366b30bacB125260Af641031331);
    }
​
    /**
     * Returns the latest price
     */
    function getLatestPrice() public view returns (int) {
        (
            uint80 roundID, 
            int price,
            uint startedAt,
            uint timeStamp,
            uint80 answeredInRound
        ) = priceFeed.latestRoundData();
        return price;
    }
}

确保 oracle 安全的方式

Swiss-Cheese 模型

我们采用多层的结构保证数据的可信性，只有多层结构中只要有一个正常工作，则代表 oracle 提供的数据可信。这样也避免了单一数据来源的最脆弱环节失效容易导致漏洞的问题

img

多数据源

可以在链上采用多个数据源，那么只有绝大多数数据都失效或者oracle合约本身存在漏洞时，oracle 才会失效。

实际上，多个可信的数据来源在链上处理是比较耗费 gas 的，因此提出了通过密码学手段，在链外汇总数据，然后发给合约。

多个 oracle

多用几个 oracle 一起验证安全性会提高很多，但是所有 oracle 都传入不正确的数据时，也可能出问题。当智能合约有多个 oracle 来源时，选择哪一个也是需要设计合理的共识机制的。一般而言，多个 oracle 需要满足：

  1. 每个 oracle 无法确认其他 oracle 的身份。这可以让他们无法串通。
  2. oracle 之间无法沟通，并且不会互相影响。例如，某个 oracle 有 40% 的投票权，他无法影响其他 oracle，让他们做出相同的选择。
  3. 当所有 oracle 都提供数据之前，每个 oracle 提供的数据都是无法确认的。这相当于在投票时，只有每个人都投完票之后，才公布结果。
  4. oracle 都带有权重，防止有人控制大量节点，成为分布式系统中的 “大多数”。

利益一致

完全区中心化的 oracle 是很危险的，我们无法预见数据提供者的行为。但是，可以尝试将 oracle 融入类似于挖矿的过程，如果执行者按规定执行，则给予奖励，否则就会产生损失。

Oracle 可能的漏洞

** **单纯创建一个点对点的去中心化系统并不难，但是保证在去中心化系统中某些必要组件的可信性，却是一个难题。

  • 为了节省验证数据的计算开销，大节点可能在收集数据之后，在链外分享给它控制的节点。如果大节点收集的数据是错误的，那么拥有错误信息的节点容易占大多数，形成另类的女巫攻击。
  • 恶意的 oracle 可能会抄袭别人的数据。
  • 单一的 oracle的情况，如果数据有损坏，那么在链上是很难检测的。
  • 区块链数据都是公开的，即使每个 oracle 的数据加密，执行过程中很难保证敏感的信息不会泄露。
    **详细可参考 **Decentralised Oracles: a comprehensive overview

Oracle 的源码实现

从类型定义可见，checkpoint oracle 实际上是一个合约，它的方法也是和普通合约封装类似，

  1. 通过地址绑定到已部署的合约，调用该合约。
  2. 合约地址。

特殊的在于：

  1. 检查某个状态阶段的可信点（检查点）。
  2. 生成新的检查点。

附检查点的含义：oracle 的检查点，实际上是一个标记，用于确认这个状态和之前的状态是可信的。在区块链上，检查点往往是有足够的可信实体共同签名后，正式生成。它意味着检查点的状态是不可逆的，无条件可信的。这也是区块链防止造假的手段之一。

geth服务器代码：/contracts/checkpointoracle/contract/oracle.go：

// Package checkpointoracle is an on-chain light client checkpoint oracle.
​
package checkpointoracle
​
//go:generate abigen --sol contract/oracle.sol --pkg contract --out contract/oracle.go
​
//使用 abigen 工具根据目录contract 下的 oracle.sol,在 contract 包内 生成目录contract 下的 oracle.go 文件，
//里面是合约相关的 Golang语言的封装
​
import (
    "errors"
    "math/big"
​
    "github.com/ethereum/go-ethereum/accounts/abi/bind"
    "github.com/ethereum/go-ethereum/common"
    "github.com/ethereum/go-ethereum/contracts/checkpointoracle/contract"
    "github.com/ethereum/go-ethereum/core/types"
)
​
// CheckpointOracle is a Go wrapper around an on-chain checkpoint oracle contract.
type CheckpointOracle struct {
    address  common.Address
    contract *contract.CheckpointOracle //预言机类型封装，包括了调用内容、绑定的合约的封装、筛选器
}
​
//绑定作为检查点的合约，返回封装好的合约实例
​
// NewCheckpointOracle binds checkpoint contract and returns a registrar instance.
func NewCheckpointOracle(contractAddr common.Address, backend bind.ContractBackend) (*CheckpointOracle, error) {
    c, err := contract.NewCheckpointOracle(contractAddr, backend)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    return &CheckpointOracle{address: contractAddr, contract: c}, nil
}
​
//获取地址
​
// ContractAddr returns the address of contract.
func (oracle *CheckpointOracle) ContractAddr() common.Address {
    return oracle.address
}
​
//获取可直接用于调用函数的合约实例
​
// Contract returns the underlying contract instance.
func (oracle *CheckpointOracle) Contract() *contract.CheckpointOracle {
    return oracle.contract
}
​
//查找某一段内生成检查点时的投票事件（即参与验证签名）
​
// LookupCheckpointEvents searches checkpoint event for specific section in the
// given log batches.
func (oracle *CheckpointOracle) LookupCheckpointEvents(blockLogs [][]*types.Log, section uint64, hash common.Hash) []*contract.CheckpointOracleNewCheckpointVote {
    var votes []*contract.CheckpointOracleNewCheckpointVote
​
    for _, logs := range blockLogs { //需检索的日志
        for _, log := range logs {
            event, err := oracle.contract.ParseNewCheckpointVote(*log) //解析日志中的事件
            if err != nil {
                continue
            }
            if event.Index == section && event.CheckpointHash == hash { //事件包含在需要检索的段，并且哈希值正确。
                votes = append(votes, event)
            }
        }
    }
    return votes
}
​
//创建检查点，创建时获取发起的签名，然后调用根据 oracle 合约生成的封装好的代码，给合约发消息
​
// RegisterCheckpoint registers the checkpoint with a batch of associated signatures
// that are collected off-chain and sorted by lexicographical order.
//
// Notably all signatures given should be transformed to "ethereum style" which transforms
// v from 0/1 to 27/28 according to the yellow paper.
func (oracle *CheckpointOracle) RegisterCheckpoint(opts *bind.TransactOpts, index uint64, hash []byte, rnum *big.Int, rhash [32]byte, sigs [][]byte) (*types.Transaction, error) {
    var (
        r [][32]byte
        s [][32]byte
        v []uint8
    )
    for i := 0; i < len(sigs); i++ {
        if len(sigs[i]) != 65 { //检查签名长度
            return nil, errors.New("invalid signature")
        }
        r = append(r, common.BytesToHash(sigs[i][:32]))
        s = append(s, common.BytesToHash(sigs[i][32:64]))
        v = append(v, sigs[i][64])
    }
    return oracle.contract.SetCheckpoint(opts, rnum, rhash, common.BytesToHash(hash), index, v, r, s) //调用生成的 oracle.go 中的 SetCheckpoint方法，它是通过 abigen 根据合约代码生成的封装好的调用方法
}

合约代码：/contracts/checkpointoracle/contract/oracle.sol

pragma solidity ^0.6.0;
​
//注意，合约并不管生成检查点的具体内容，只负责管理创建、生成检查点的事件，然后交给链外组件完成。这一点与状态机模型是一致的
​
/**
 * @title CheckpointOracle
 * @author Gary Rong<[email protected]>, Martin Swende <[email protected]>
 * @dev Implementation of the blockchain checkpoint registrar.
 */
contract CheckpointOracle {
    /*
        Events
    */
​
    //事件：生成新的检查点时，管理员之一完成签名
​
    // NewCheckpointVote is emitted when a new checkpoint proposal receives a vote.
    event NewCheckpointVote(
        uint64 indexed index,
        bytes32 checkpointHash,
        uint8 v,
        bytes32 r,
        bytes32 s
    );
​
    //构造检查点，管理员地址（需要管理员签名才可以生成检查点）、每一段的大小（每个这么一段的区块数）、需要确认的区块数、最少签名人数（阈值）
    /*
        Public Functions
    */
    constructor(
        address[] memory _adminlist,
        uint256 _sectionSize,
        uint256 _processConfirms,
        uint256 _threshold
    ) public {
        for (uint256 i = 0; i < _adminlist.length; i++) {
            admins[_adminlist[i]] = true;
            adminList.push(_adminlist[i]);
        }
        sectionSize = _sectionSize;
        processConfirms = _processConfirms;
        threshold = _threshold;
    }
​
    /**
     * @dev Get latest stable checkpoint information.
     * @return section index
     * @return checkpoint hash
     * @return block height associated with checkpoint
     */
    function GetLatestCheckpoint()
        public
        view
        returns (
            uint64,
            bytes32,
            uint256
        )
    {
        return (sectionIndex, hash, height);
    }
​
    //注册检查点，最近的区块号和它的哈希值（用于防止链分叉时的重放攻击（第三方拿之前的凭证，谎称自己有签名，冒充身份））、段的索引、段的哈希、签名
​
    // SetCheckpoint sets  a new checkpoint. It accepts a list of signatures
    // @_recentNumber: a recent blocknumber, for replay protection
    // @_recentHash : the hash of `_recentNumber`
    // @_hash : the hash to set at _sectionIndex
    // @_sectionIndex : the section index to set
    // @v : the list of v-values
    // @r : the list or r-values
    // @s : the list of s-values
    function SetCheckpoint(
        uint256 _recentNumber,
        bytes32 _recentHash,
        bytes32 _hash,
        uint64 _sectionIndex,
        uint8[] memory v,
        bytes32[] memory r,
        bytes32[] memory s
    ) public returns (bool) {
        //已授权
​
        // Ensure the sender is authorized.
        require(admins[msg.sender]);
​
        //分叉时，之前的区块位置可能被顶替，区块号相同但是区块哈希不同
​
        // These checks replay protection, so it cannot be replayed on forks,
        // accidentally or intentionally
        require(blockhash(_recentNumber) == _recentHash);
​
        //通过签名长度检查签名是否有效
​
        // Ensure the batch of signatures are valid.
        require(v.length == r.length);
        require(v.length == s.length);
​
        //还没到下一段，不用新建检查点
​
        // Filter out "future" checkpoint.
        if (
            block.number < (_sectionIndex + 1) * sectionSize + processConfirms
        ) {
            return false;
        }
​
        //这一段已经生成过了，错误。
​
        // Filter out "old" announcement
        if (_sectionIndex < sectionIndex) {
            return false;
        }
​
        //这一段已经开始生产或者已经生成，没必要再次尝试创建
​
        // Filter out "stale" announcement
        if (
            _sectionIndex == sectionIndex && (_sectionIndex != 0 || height != 0)
        ) {
            return false;
        }
​
        //检查点哈希异常，哈希无效
        // Filter out "invalid" announcement
        if (_hash == "") {
            return false;
        }
​
        //生成签名哈希
​
        // EIP 191 style signatures
        //
        // Arguments when calculating hash to validate
        // 1: byte(0x19) - the initial 0x19 byte
        // 2: byte(0) - the version byte (data with intended validator)
        // 3: this - the validator address
        // --  Application specific data
        // 4 : checkpoint section_index(uint64)
        // 5 : checkpoint hash (bytes32)
        //     hash = keccak256(checkpoint_index, section_head, cht_root, bloom_root)
        bytes32 signedHash = keccak256(
            abi.encodePacked(
                bytes1(0x19),
                bytes1(0),
                this,
                _sectionIndex,
                _hash
            )
        );
​
        address lastVoter = address(0);
​
        //签名按照顺序依次验证， ecrecover函数用于验证签名是否来自可信地址，这里采用的是 EIP191 标准的签名，
        //更进一步了解可见 https://soliditydeveloper.com/ecrecover
​
        // In order for us not to have to maintain a mapping of who has already
        // voted, and we don't want to count a vote twice, the signatures must
        // be submitted in strict ordering.
        for (uint256 idx = 0; idx < v.length; idx++) {
            address signer = ecrecover(signedHash, v[idx], r[idx], s[idx]);
            require(admins[signer]); //签名生成的地址属于管理者
            require(uint256(signer) > uint256(lastVoter)); //按照地址排序，在前一个人之后验证
            lastVoter = signer;
            emit NewCheckpointVote(
                _sectionIndex,
                _hash,
                v[idx],
                r[idx],
                s[idx]
            );
​
            //签名人数已足够
​
            // Sufficient signatures present, update latest checkpoint.
            if (idx + 1 >= threshold) {
                hash = _hash;
                height = block.number;
                sectionIndex = _sectionIndex;
                return true;
            }
        }
        //如果未达到签名人数的阈值，则回滚
​
        // We shouldn't wind up here, reverting un-emits the events
        revert();
    }
​
    /**
     * @dev Get all admin addresses
     * @return address list
     */
    function GetAllAdmin() public view returns (address[] memory) {
        address[] memory ret = new address[](adminList.length);
        for (uint256 i = 0; i < adminList.length; i++) {
            ret[i] = adminList[i];
        }
        return ret;
    }
​
    /*
        Fields
    */
​
    //管理员列表中有权参与的人的标记
​
    // A map of admin users who have the permission to update CHT and bloom Trie root
    mapping(address => bool) admins;
​
    //管理员列表
​
    // A list of admin users so that we can obtain all admin users.
    address[] adminList;
​
    //最新一段的编号
​
    // Latest stored section id
    uint64 sectionIndex;
​
    // The block height associated with latest registered checkpoint.
    uint256 height;
​
    //注册检查点时的哈希
​
    // The hash of latest registered checkpoint.
    bytes32 hash;
​
    //每过这一段大小就生成一个检查点
​
    // The frequency for creating a checkpoint
    //
    // The default value should be the same as the checkpoint size(32768) in the ethereum.
    uint256 sectionSize;
​
    //构造预言机的检查点时，需要的可信签名的个数，多一些人验证可以防止因为链重组造成的异常
​
    // The number of confirmations needed before a checkpoint can be registered.
    // We have to make sure the checkpoint registered will not be invalid due to
    // chain reorg.
    //
    // The default value should be the same as the checkpoint process confirmations(256)
    // in the ethereum.
    uint256 processConfirms;
​
    //生成可信检查点需要验证的最小的签名个数
​
    // The required signatures to finalize a stable checkpoint.
    uint256 threshold;
}

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