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如何实现广义的元交易(Meta Transaction)

在合约内启用元交易是一个强大的补充。要求用户持有 ETH 来支付 Gas 一直以来都是而且仍然是新用户进入的最大挑战之一。如果只是简单的点击,谁知道现在会有多少人在使用以太坊?
但有时,解决方案可以在你的合约中加入元交易能力。实现起来可能比你想象的要容易。
如何实现广义的元交易(Meta Transaction)
Meta XKCD

什么是元交易

元交易是一个普通的以太坊交易,它包含另一个交易,即实际交易。实际交易由用户签署,然后发送给运营商(或类似的操作者),用户不需要 Gas 和区块链交互。而是由运营商支付费用签署交易,提交给区块链。

合约确保在实际交易上有一个有效的签名,然后执行它。

概述

如果我们想在合约中支持广义的元交易,可以通过几个简单的步骤完成。从高层次上讲,有两个步骤:

第 1 步:验证元交易的签名。按照EIP-712[4]标准和ecrecover创建一个哈希值来完成:

bool isValidSignature = ecrecover(hash(transaction), v, r, s) == transaction.signerAddress

第 2 步:一旦得到验证,我们就可以提取实际的交易数据。通过对当前的合约地址使用delegatecall,执行一个函数(而不做新的合约调用)。请记住,delegatecall 使用当前合约的状态去调用合约的代码。因此,通过执行address(this).delegatecall,可以在当前的合约中执行所有的功能,并且可以传递交易数据。

(bool didSucceed, bytes memory returnData) = address(this).delegatecall(transaction.data);

大致就是这样。但也有一些关键的信息需要验证,也有签名的替代品。

让我们来看看更多细节。

交易执行的细节

正如我们所看到的,执行的核心是 delegatecall。这是实际交易被执行的地方。但是为了确保正确的执行,我们必须确保一些事情是正确的。

交易结构

首先让我们看看交易结构中的数据,包含了用户设定的所有相关要求,以及 bytes data 作为将要执行的交易本身。data 也是从用户传递到运营商再到合约的内容:

struct Transaction {
    uint256 salt;
    uint256 expirationTimeSeconds;
    uint256 gasPrice;
    address signerAddress;
    bytes data;
}

结构化交易哈希

我们还需要在所有这些数据上计算一个哈希值。这将用于签名 schema 和防止同一交易的重复执行。关于这方面的细节,请看最后的签名解释。

这是交易 schema 的哈希值:

EIP712_TRANSACTION_SCHEMA_HASH = keccak256(
    abi.encodePacked("Transaction(uint256 salt,uint256 expirationTimeSeconds,uint256 gasPrice,address signerAddress,bytes data)")
);

这是 EIP712 Schema 的哈希值,可以在合约的构造函数中计算一次。

我们可以使用keccak256abi.encodePacked来计算结构化的交易哈希值:

function _getTransactionTypedHash(
    Transaction memory transaction
) private view returns (bytes32) {
    return keccak256(abi.encodePacked(
        EIP712_TRANSACTION_SCHEMA_HASH,
        transaction.salt,
        transaction.expirationTimeSeconds,
        transaction.gasPrice,
        uint256(transaction.signerAddress),
        keccak256(transaction.data)
    ));
}

通过 hash 所有相关的值,我们可以确保只有原用户签名的交易才会成功执行。例如,即使运营商只是改变了expirationTimeSeconds中的 1 秒,它也不能成功执行。

这只是哈希值的第一部分,要了解包括安全签名要求在内的全部细节,请阅读下面关于签名的部分。

设置正确的 msg.sender

如果我们只是执行 delegatecall,交易的 msg.sender 仍然是元交易的运营商,而不是原始签名者。

我们可以通过设置一个上下文变量来解决这个问题:

function _setCurrentContextAddressIfRequired(address contextAddress) private {
    currentContextAddress = contextAddress;
}

function _getCurrentContextAddress() private view returns (address) {
    return currentContextAddress == address(0) ? msg.sender : currentContextAddress;
}

你在合约中使用msg.sender的地方,现在都会调用_getCurrentContextAddress()

防止多重包裹的交易
如何实现广义的元交易(Meta Transaction)
雯丽佳
我们要防止的另一件事是执行元-元-交易。(除非你想无缘无故地耍酷)

它没有任何作用,只是浪费了额外的 Gas。因此,我们可以在任何交易执行之前添加检查。

require(currentContextAddress == address(0), "META_TX: Transaction has context set already");

确保满足交易条件

我们将进一步确保所有规定的条件得到满足

  • 过期时间是有用的,用户需要知道一个交易在几个月后不会被执行。
  • 一个transactionsExecuted映射,以确保元交易只被执行一次。注意:确保在成功执行后设置transactionsExecuted[transactionHash] = true
  • 一个由用户定义的 Gas 价格。这在你的系统中可能不需要。因为 Gas 是由运营商支付的,需要指定 gas 交易成本的唯一原因是该值在交易中会具有进一步对交易的影响。例如,在 0x 中,Gas 价格会影响费用价格。
require(block.timestamp < transaction.expirationTimeSeconds, "META_TX: Meta transaction is expired");
require(!transactionsExecuted[transactionHash], "META_TX: Transaction already executed");
require(tx.gasprice == requiredGasPrice, "META_TX: Gas price not matching required gas price");

验证签名

当然,我们只想执行有有效签名的交易。一个天真的解决方案可能只处理 transaction.data 并签名。

但是…

  • 我们如何确保所有额外的交易参数被正确设置(过期时间、salt、signer…)?
  • 我们如何防止一个已签名的交易被多次使用?

第一部分很简单,我们用前面的_getTransactionTypedHash函数在所有这些值上创建一个哈希值。第二部分通过EIP-712[5]解决的问题,你可以看到如何从交易数据和额外的 EIP-712 数据中创建一个哈希值,代码如下:

function _getFullTransactionTypedHash(Transaction memory transaction) private view returns (bytes32) {
    bytes32 transactionStructHash = _getTransactionTypedHash(transaction);

    bytes32 EIP191_HEADER = 0x1901000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
    bytes32 schemaHash = keccak256(abi.encodePacked("EIP712Domain(string name,string version,uint256 chainId,address verifyingContract)"));
    uint256 chainId = 1; // mainnet
    address verifyingContract = address(this);
    bytes32 domainHash = keccak256(abi.encodePacked(
        schemaHash,
        keccak256(bytes("My Protocol Name")),
        keccak256(bytes("1.0.0")),
        chainId,
        verifyingContract
    ));

    return keccak256(abi.encodePacked(EIP191_HEADER, domainHash, hashStruct));
}

将额外的信息放入我们的哈希值中,因此,一个已签署的交易只能准确地用于该合约与给定的链 Id。所有的细节,请查看 EIP 或我之前关于ERC20-Permit[6]的文章。

好了,现在我们有了完整的交易哈希值和用户的签名。我们可以通过一个辅助工具提取 byte32 值来获得三个值 r、s、v,这三个值是签名中的椭圆曲线签名值。uint8 的 v 值只需要一个简单的转换。

使用ecrecover与给定的签名和交易哈希,可计算出一个签名者地址。如果这个地址与transaction.signerAddress相匹配,则签名确实有效。

function _isValidTransactionWithHashSignature(
    Transaction memory transaction,
    bytes32 txHash,
    bytes memory signature
) private pure returns (bool) {
    require(
        signature.length == 66,
        "META_TX: Invalid signature length"
    );

    uint8 v = uint8(signature[0]);
    bytes32 r = _readBytes32(signature, 1);
    bytes32 s = _readBytes32(signature, 33);
    address recovered = ecrecover(txHash, v, r, s);

    return transaction.signerAddress == recovered;
}

function _readBytes32(
        bytes memory b, uint256 index
) private pure returns (bytes32 result) {
    require(
        b.length >= index + 32,
        "META_TX: Invalid index for given bytes"
    );

    // Arrays are prefixed by
    // a 256 bit length parameter
    index += 32;

    // Read the bytes32 from array memory
    assembly {
        result := mload(add(b, index))
    }
    return result;
}

这就是常规的签名方案。如果你需要用户签署他自己的交易,它就能完美地工作。

但如果你想让智能合约创建有效的签名呢?

高级签名方案

一个更高级的使用场景是让智能合约签署元交易,但想象一下,用户把他的资金放在一个多签名的智能合约里面。这对于某些钱包来说已经很常见了。这个用户不能用 EIP-712 方案签署交易来创建一个有效的 v、r、s 签名。

这就是EIP-1271[7]的作用,它允许智能合约来验证签名。标准本身没有说明合约如何做到这一点。唯一的定义是函数签名,其定义是:

function isValidSignature(
    bytes32 hash,
    bytes memory signature
) public view returns (bytes4);

其中有效签名的返回值为0x1626ba7e。如何实现签名逻辑则取决于智能合约开发者。

那么,我们怎样才能验证这样的签名呢?

你可以在下边看到一个实现的例子。使用staticcall,我们可以确保在调用过程中没有进一步的状态修改发生。如果结果成功并且有一个有效的 returnData 长度(这是非常关键的,见之前的 0x bug[8]),我们可以检查返回值是否符合0x1626ba7e

function _staticCallEIP1271Wallet(
    address verifyingContractAddress,
    bytes memory data,
    bytes memory signature
) private view returns (bool) {
    bytes memory callData = abi.encodeWithSelector(
        IEIP1271Wallet.isValidSignature.selector,
        data,
        signature
    );

    (bool didSucceed, bytes memory returnData)
       = verifyingContractAddress.staticcall(callData);
    require(
        didSucceed && returnData.length == 32,
        "META_TX: EIP1271 call failed"
    );

    bytes4 returnedValue = _readBytes4(returnData, 0);
    return returnedValue == 0x1626ba7e;
}

你可能想允许更多的签名方法,比如预签名或拥有可以代表用户签名的运营商。请看 0x这里[9]中的现有类型,以获得一些灵感。

自己实现

到目前为止,我们已经看到了所有实现的关键部分,这应该让你对如何实现它有一个好的启发。我还建议你看一下:

  1. 0x 元交易的实现[10]
  2. Openzeppelin EIP-712 支持[11]
  3. 实现签名部分的 npm eip-712 库[12]

Openzeppelin EIP-712 库仍然是一个草案,但对链 ID 可能改变的分叉情况有额外支持。也可以看看 0x 代码,本博文中的很多实现都来自于此。

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