預言機

以太坊平台的一個關鍵組成是 EVM：在共識規則的約束下，它能在去中心化網路中的任何節點上執行程式、更新以太坊的狀態。為了維持共識，EVM 的執行必須完全是確定性的，而且只能依據以太坊狀態與已簽署交易這個共享的脈絡。這帶來兩個特別重要的後果：第一，EVM 與智能合約無法取得任何內在的隨機性來源；第二，外在的資料只能透過交易所攜帶的資料（data payload）帶進來。

我們進一步拆解這兩個後果。要理解為什麼 EVM 不能有真正的隨機函數來為智能合約提供隨機性，可以想想執行這種函數之後，達成共識的嘗試會受到什麼影響：節點 A 執行這個指令後，代表智能合約在它的儲存空間中存入 3；而執行同一個智能合約的節點 B，存入的卻是 7。於是，儘管在同樣的脈絡中執行了完全相同的程式碼，節點 A 與 B 對結果狀態應該是什麼，卻得出了不同的結論。事實上，每次對這個智能合約求值，都可能得到不同的結果狀態。如此一來，這個由世界各地大量獨立運作的節點組成的網路，永遠無法對結果狀態應該是什麼達成去中心化的共識。實際上，情況很快就會比這個例子糟糕得多，因為包括以太幣（ether）轉帳在內的連鎖效應會以指數方式累積。

請注意，偽隨機函數，例如密碼學上安全的雜湊函數（它是確定性的，因此可以成為、而且確實是 EVM 的一部分），對許多應用來說並不足夠。以一個模擬擲硬幣來決定賭注派彩的賭博遊戲為例，它需要隨機產生正面或反面：區塊提議者可以參與這個遊戲，並且只在自己會贏的區塊中納入自己的交易，藉此取得優勢。那麼，我們要如何繞過這個問題？所有節點都能就已簽署交易的內容達成一致，因此外在的資訊，包括隨機性來源、價格資訊、天氣預報等等，可以作為送進網路的交易的資料部分帶進來。然而，這些資料根本無法信任，因為它們來自無法驗證的來源。這樣一來，我們只是把問題往後推而已。我們用預言機來嘗試解決這些問題，本章接下來會詳細討論。

理想上，預言機提供一種免信任（或至少接近免信任）的方式，把外在的資訊（也就是「真實世界」或鏈下的資訊），例如足球比賽的結果、黃金的價格或真正的隨機數，帶上以太坊平台供智能合約使用。它們也可以用來把資料安全地直接傳給去中心化應用（DApp）的前端。因此，預言機可以視為一種在鏈下世界與智能合約之間搭起橋梁的機制。它們大多用來在不同的區塊鏈之間傳遞資訊，例如代幣價格。

讓智能合約能依據真實世界的事件與資料來執行契約關係，大幅擴展了它們的應用範圍。然而，這也可能為以太坊的安全模型帶來外部風險。想像一個在某人過世時分配資產的「智能遺囑」合約。這是智能合約領域經常討論的例子，也凸顯了受信任預言機的風險。如果這種合約所控制的遺產金額夠高，對預言機發動駭客攻擊^[28]、在所有者過世前就觸發資產分配的誘因就非常大。

請注意，有些預言機提供的資料專屬於某個特定的私有資料來源，例如學歷證書或政府核發的身分證件。這類資料的來源（例如大學或政府部門）是完全受信任的，而資料的真實性是主觀的（真假只取決於來源的權威）。因此，這類資料無法以免信任的方式提供（也就是不信任某個來源就無法取得），因為並不存在可以獨立驗證的客觀事實。儘管如此，我們仍把這些資料來源納入「預言機」的定義，因為它們同樣為智能合約提供了資料的橋梁。它們提供的資料通常是認證（attestation）的形式，例如護照或成就紀錄。認證未來將是區塊鏈平台成功的一大關鍵，尤其是在驗證身分或聲譽這類相關議題上，因此探討區塊鏈平台如何提供這些服務非常重要。

預言機可能提供的資料還有以下這些例子：

在接下來的幾節中，我們會探討預言機的幾種實作方式，包括基本的預言機模式、計算預言機、去中心化預言機，以及用 Solidity 實作的預言機客戶端。^[29]

依照定義，所有預言機都提供幾項關鍵功能，包括能夠：

資料一旦在智能合約中可供取用，其他智能合約就能透過訊息呼叫，呼叫預言機智能合約的 retrieve 函式來存取它；以太坊節點或具備網路功能的客戶端也可以直接存取。

設定預言機的三種主要方式可以分為即時讀取（immediate-read）、發布—訂閱（publish-subscribe）與請求—回應（request-response）。

假設 DApp 所查詢的資料來源既具權威性又值得信任（這可不是個小假設），仍然有一個懸而未決的問題：既然預言機與請求—回應機制可能由不同的實體營運，我們要如何信任這個機制？資料在傳輸途中遭到竄改的可能性確實存在，因此鏈下的方法能夠證實回傳資料的完整性至關重要。資料認證的兩種常見做法是 真實性證明（authenticity proof）與可信執行環境（trusted execution environment，TEE）。

真實性證明仰賴密碼學上的保證，確保資料從來源到區塊鏈的途中沒有被更改。這類證明把信任的依據從傳輸機制轉移到一個可驗證的認證方（attestor）身上，例如資料提供者、安全的第三方，甚至是一個去中心化的節點網路。智能合約在鏈上驗證密碼學簽章或零知識認證，就能確認收到的資訊確實來自正確的權威來源、沒有遭到竄改，而且往往不需要原始資料來源實作特殊的簽署邏輯。

TEE 利用專門的硬體安全隔離區（enclave）來保護程式碼與資料並為其提供證明，藉此強化這些保證。當一項計算在這種安全隔離區內執行時，CPU 會確保外部的行程無法干擾它，也看不到底層的資料，從而同時維護完整性與機密性。接著，安全隔離區可以提供經過數位簽章的認證（也就是一份證明），證實某一段以密碼學雜湊值識別的程式碼，正在這個安全環境中執行。這讓智能合約能更有把握：任何外部資料或計算在抵達鏈上之前，都沒有遭到惡意更改。安全隔離區也能提供隱私功能，因為敏感的輸入可以在安全隔離區內加密並處理，完全不會洩漏給外界。

在許多現代的預言機網路中，可以結合這些方法來進一步強化資料認證。有些網路仰賴由獨立節點組成的去中心化集合，從不同來源擷取並驗證資料，再就正確的結果達成共識。由於節點有誘因保持誠實，而且往往以經濟上的擔保來約束，這種多營運者系統大幅降低了單一不良行為者破壞資料源（data feed）的風險。另一些網路則採用先進的密碼學協議，在不暴露底層細節的情況下證明資料取自某個特定的端點，從而減少對完全中心化的驗證方的依賴。某些網路營運者也會部署硬體安全隔離區來執行擷取資料的邏輯，確保即使主機環境遭到入侵，最終提交到區塊鏈的結果仍然不會被更改，而且可以獨立驗證。

無論具體的實作方式為何，最大的挑戰都是確保任何擷取並傳進 DApp 的資料都精確且可信。真實性證明提供一種穩健的方式，能追蹤並驗證資料是從哪裡、以什麼方式取得的；TEE 則提供一種以硬體為後盾的手段，保護收集與轉送鏈下資訊的整個過程。

到目前為止，我們只在請求與交付資料的脈絡下討論預言機。然而，預言機也可以用來執行任意的計算；考量到以太坊固有的區塊 gas 上限與相對昂貴的計算成本，這項功能特別有用。計算預言機不只是轉送查詢的結果，還可以對一組輸入執行計算，回傳一個在鏈上可能無法計算的結果。例如，你可以用計算預言機執行一項計算量很大的迴歸計算，用來估計某個債券合約的收益。

被稱為 ZK 協同處理器（ZK coprocessor）的 Lagrange 與 Brevis，讓智能合約能在鏈下執行繁重的計算，同時仍能確保在鏈上驗證。以 Brevis 為例，它讓 DApp 能請求複雜的任務或歷史資料，而不必預先產生零知識證明（zero-knowledge proof）。網路會「樂觀地」發布結果，假設它們是正確的。結果在鏈上發布之後，會有一段挑戰期（challenge window），任何人都可以在這段期間提出異議。如果結果受到挑戰，提議者就必須產生完整的零知識證明來驗證結果。如果沒有提出證明，或是證明顯示最初的結果不正確，挑戰者會獲得獎勵，提交錯誤結果的一方則會受到懲罰。如果沒有人提出挑戰，結果就會被接受為有效，這大幅減少了所需的零知識證明數量，也降低了成本。

雖然中心化的資料預言機或計算預言機足以應付許多應用，但它們是以太坊網路中的單點故障。為了確保資料可用性（data availability），並建立一個由各自獨立的資料提供者組成、搭配鏈上資料聚合系統的網路，已經有人圍繞去中心化預言機的概念提出了多種方案。

Chainlink 提出了一種去中心化預言機網路，由三個關鍵的智能合約（信譽合約、訂單撮合合約與聚合合約），以及一個鏈下的資料提供者登記處組成。信譽合約用來追蹤資料提供者的表現，其中的分數則用來填入鏈下的登記處。訂單撮合合約利用信譽合約，從各個預言機的投標中做出選擇，接著敲定一份服務水準協議，內容包括查詢參數與所需的預言機數量。這表示購買者不需要直接與個別的預言機交易。聚合合約收集多個預言機的回應（以承諾—揭示機制（commit-reveal scheme）提交），計算出查詢的最終集體結果，最後再把結果回饋給信譽合約。

這種去中心化做法的主要挑戰之一，是如何制定聚合函數。Chainlink 提議計算加權後的回應，讓每個預言機的回應都能回報一個有效性分數。在這裡偵測無效的分數並不簡單，因為它所依據的前提是：離群的資料點（以偏離同儕回應的程度來衡量）是不正確的。依據某個預言機回應在所有回應分布中的位置來計算有效性分數，可能會讓正確的答案比平均的答案受到更多懲罰。因此，Chainlink 提供一組標準的聚合合約，但也允許指定自訂的聚合合約。

一個相關的概念是 SchellingCoin 協議。在這個協議中，多個參與者回報數值，並取中位數作為「正確」答案。回報者必須提供一筆押金，這筆押金會重新分配給較接近中位數的數值，因而提供誘因，讓參與者回報與其他人相近的數值。一個共同的數值，也就是 謝林點（Schelling point），是回應者可能視為自然而明顯、可以據以協調的目標，預期會接近實際的數值。

許多應用經常需要在多條鏈之間傳輸資料、進行互動，而每條鏈都有自己的社群治理、共識規則與代幣標準。跨鏈協議已經成為促進區塊鏈之間通訊的關鍵工具，讓智能合約與去中心化應用能取用更廣泛的服務、流動性與資料。預言機把外部資訊橋接進單一區塊鏈，跨鏈協議則把這個概念延伸到連接整個生態系。

理解跨鏈協議的一種方式，是把它們視為連接區塊鏈的專門「通訊層」。這些協議不只是用來匯入外部資料，還能促進鏈與鏈之間的資訊傳遞。

在熱門的跨鏈專案中，LayerZero 提供了一個在區塊鏈之間進行輕量級訊息傳遞的框架。它專注於訊息的「傳輸」與「驗證」，目標是提供一個更有效率、更有彈性的互通層。LayerZero 的設計圍繞著兩個關鍵的鏈下實體：預言機（Oracle）與中繼者（Relayer），兩者合作驗證跨鏈交易，如圖 11-4 所示。

預言機獨立查詢交易的證明或區塊頭，而中繼者則傳遞證明本身。可以由使用者自行設定一組預言機與中繼者，讓信任去中心化。如果預言機與中繼者提供相同的資料，LayerZero 在目標鏈上的智能合約就會接受這則訊息為有效。這讓開發者能打造複雜的互通解決方案，而不必依賴單一的跨鏈橋供應商或中心化實體。

另一個知名專案 Wormhole，最初是為了讓資產主要能在 Solana 與以太坊之間轉移而誕生的，後來擴展到其他網路，例如幣安智能鏈（Binance Smart Chain，BSC）、Hyperliquid 與 Avalanche。Wormhole 的做法建立在一個由守護者（guardian）組成的網路上：這些守護者監看單一鏈上的事件，並簽署訊息來證實這些事件。一旦有足夠的守護者簽署，這份認證就被視為有效，對應的事件（例如一筆代幣轉帳）便能在目標鏈上獲得承認，如圖 11-5 所示。這套機制不只能用於代幣跨鏈，還能處理更複雜的任務，例如跨鏈治理提案與非同質化代幣（NFT）的轉移。Wormhole 藉由結合多個守護者的安全性，試圖降低單點故障的風險；不過，這也需要謹慎地挑選並維護守護者集合。

Chainlink 的 Cross-Chain Interoperability Protocol（CCIP）建立在該組織既有的預言機網路之上，為區塊鏈之間安全的訊息傳遞與代幣轉移提供一個通用的框架。它的重點在於達到高度的信任最小化，仰賴去中心化預言機來驗證不同網路上的事件。CCIP 可以在來源鏈上鎖定或銷毀代幣，再在目標鏈上鑄造或解鎖代幣，讓 DApp 能把功能延伸到多個生態系。CCIP 重複利用 Chainlink 為去中心化資料源與可驗證隨機性所開發的穩健基礎設施，為已經依賴這些服務的專案提供一條擴展到跨鏈營運的自然途徑。

除了這些協議之外，還有越來越多的互通層與跨鏈橋解決方案可供選擇，各自填補略有不同的利基。例如，Polkadot 與 Cosmos 等專案從一開始就以跨鏈能力為基礎打造，利用平行鏈（parachain）與樞紐鏈（hub）等設計，促進資產與資料的順暢交換。Cosmos 的 Inter-Blockchain Communication（IBC）協議採用客戶端驗證，每條相連的鏈都會儲存其他鏈的「輕客戶端」。Polkadot 則透過 Relay Chain 中一組共享的驗證者來保障各條平行鏈的安全，把每條平行鏈的交易綁進統一的共識之中。這些架構以可擴展性與安全性為優先，但也各自帶來學習門檻，對習慣類以太坊環境的開發者來說尤其如此。

如你所見，跨鏈協議與預言機把外部資訊帶進合約的執行，為智能合約提供了不可或缺的功能。當然，預言機也因此帶來重大的風險：如果它們是受信任的來源，而且可能遭到入侵，就可能連帶破壞它們所供應資料的智能合約的執行。在考慮使用預言機時，你通常應該非常謹慎地看待它的信任模型。如果你假定預言機可以依賴，你的智能合約就可能容易受到潛在錯誤輸入的影響。不過，只要仔細思考過安全假設，預言機就能非常有幫助。

去中心化預言機可以解決其中一些疑慮，為以太坊智能合約提供免信任的外部資料。謹慎選擇，你就能開始探索預言機在以太坊與「真實世界」之間搭起的橋梁。

我們也看到了跨鏈協議如何作為以太坊與其他生態系之間的橋梁：它們承襲了預言機的許多潛力與風險，同時把使用案例與功能的範圍擴展得更廣。