元交易合约如何实现？智能合约开发实战：元交易(Metatransaction)系列二

上文中提到，普通的 ETH 交易并不能够做到让用户无需 gas 费，需要交易中嵌套一个交易，即元交易，来实现免 gas 费。

本文将分析开源库 OpenZeppelin/openzeppelin-contracts 中的元交易合约的实现，让你能够快速入门元交易实现细节，从而能够自己对后续更多的相关技术深入探索。

元交易会涉及到 ECDSA 与 EIP712 等知识，如果你是熟手，可以跳过此节内容，直接浏览具体实现分析部分。

也称哈希、散列、数字摘要。通过哈希函数，可以将长短不一的信息转化为一段长度任意但可预测的（确定性的）结果。这是一类神奇的函数，可以将一大堆信息转变成一串短的，可作为摘要的数据 “指纹”。对于一个给定的输入而言，生成的 “指纹” 始终一致。如果你的原始数据中有任何细微的改动，生成的哈希值将大不相同。以太坊中采用的是 Keccak-256 算法。

在密码学中，ECDSA（Elliptic Curve Digital Signature Algorithm，椭圆曲线数字签名算法）是使用椭圆曲线密码学的数字签名算法（DSA）的一个变种。

主要用于对数据（比如一个文件）创建数字签名，以便于你在不破坏它的安全性的前提下对它的真实性进行验证。可以将它想象成一个实际的签名，你可以识别部分人的签名，但是你无法在别人不知道的情况下伪造它。

你不应该将ECDSA与用来对数据进行加密的AES（高级加密标准）相混淆。ECDSA不会对数据进行加密、或阻止别人看到或访问你的数据，它可以防止的是确保数据没有被篡改。

如图所示，在以太坊中，ECDSA 用于对原始数据的 hash 值进行签名及恢复。

将原始数据通过 hash 函数得到它的 hash 值后，用户 A 用自己的私钥对该 hash 值进行签名，得到 Signature（签名）。有了该签名与 hash 值，任何人都能够从中恢复出签名人的钱包地址，在这里用户 B 则恢复得到了用户 A 的钱包地址。

EIP712

Ethereum Improvement Proposals (EIPs)，你可以在这里查看所有的 EIPs。EIP712 （Ethereum typed structured data hashing and signing）以太坊类型的结构化数据哈希与签名。

如果我们只关心字节字符串的话，签名数据是一个已经解决了的问题。但不幸的是，在现实世界中，我们关心的是复杂而有意义的信息，对结构化数据进行哈希是非常重要的，错误会导致系统安全属性的丢失。

此 EIP 旨在提高链上使用的链下消息签名的可用性。我们看到越来越多的人采用链下消息签名，因为它节省了 gas 费，减少了区块链上的交易数量。当前签名消息是一个不透明的十六进制字符串，显示给用户，关于组成消息的项目的上下文很少。

EIP712 概述了一个编码数据及其结构的方案，该方案允许在签名时将数据显示给用户进行验证。下面是一个用户在签署 EIP712 消息时显示的示例。

此分析针对 openzeppelin-contracts v4.3.2 版本。

ECDSA 是 openzeppelin 实现的一个 solidity 库，它实现了从 hash 值中恢复钱包地址的方法，将它应用在 bytes32 上，就可以直接在 bytes32 上调用 recover 方法。recover 函数签名：function recover(bytes32 hash, bytes memory signature) internal pure returns (address) 。

ForwardRequest 结构体定义了一个交易中用于签名的基本组成成分。与以太坊交易不同的是没有 gasPrice，因为智能合约的执行只关心 gas 的消耗。ForwardRequest 中 的 nonce 概念与以太坊类似，都是为了避免双花攻击，但这里的 nonce 仅由智能合约维护，跟普通的以太坊交易中的 nonce 无关。

构造函数中直接使用 EIP712 的构造函数进行初始化，EIP712 的构造函数签名为：constructor(string memory name, string memory version) ，其中 name 是合约名称，version 是合约版本，这将作为 EIP712 签名验证的一部分，它在部署时，将自动获取合约的地址、chainId 等信息。意味着，即便有相同的 ForwardRequest 结构体数据，但合约地址或区块链网络不同，也会导致签名无效。

为了避免双花攻击，在智能合约中维护 nonce 是必要的。

看到 verify 函数，我们知道，要将钱包地址恢复，至少需要经过 ECDSA 的签名以及用于签名的原始数据，而此处，ECDSA 签名的原始数据就是经过 abi 编码的 keccak256(abi.encode(_TYPEHASH, req.from, req.to, req.value, req.gas, req.nonce, keccak256(req.data))) ForwardRequest 结构体数据的哈希值。再通过调用 ECDSA 库中的 recover 函数，传入签名，就能够恢复得到签名者的钱包地址。

通过 _nonces[req.from]==req.nonce 来确保交易的调用是顺序的，且不会遭受双花攻击。signer==req.from 避免签名者与实际元交易发送者不匹配。

接下来看，如何执行元交易。

在使用 Address.call 方法的时候，根据元交易参数，指定了 call 的 gas 与 value 值。需要注意的是，这里并不直接将元交易的 data 字段当作 call 操作的 data，而是将 data 与 from 进行 abi 编码后一起作为 call 操作的参数，这在目标合约（也就是 req.to）中会被解析，从而得到交易的发送者，在下面会详细讲解。

assert(gasleft() >

req.gas / 63) 简单理解为避免中继器（代为执行元交易的人）恶意地或无意地使用足够低的 gas 使得交易执行成功，而元交易执行失败。详情可以在 ethereum gas dangers 中学习。

要支持元交易，仅实现元交易智能合约是不够的，因为目标合约无法知道实际的元交易 from 是谁。如果没有额外的措施，它将只能够从 msg.sender 中获取，由于在元交易合约实现中，是通过 Address.call 调用的，因此将得到的发送者是元交易合约的地址。ERC2771 则解决了该问题。

ERC2771Context 继承了 Context，而 Context 中简单封装了从 msg.sender 与 msg.data ，以便规范这两个功能的使用，且能够让其在子合约中修改其行为。要求使用 Context 合约获取 msg 相关的数据，而不是直接使用 msg.sender 等。

ERC2771Context 就修改了 Context 合约的方法。

先通过 isTrustedForwarder(msg.sender) 验证元交易的调用方是期望的元交易合约地址。assembly 代码将上文的元交易合约中 req.to.call{…}(abi.encodePacked(req.data, req.from)) 编码进的 data 部分内容的 req.from 获取到，然后再返回该值。

让我们来尝试简单使用元交易合约，要支持元交易，你所编写的合约必须继承 ERC2771Context。在这里简单实现一个 NFT 合约，在部署它之前，你必须先部署元交易合约，将元交易合约地址作为参数传递给 NFT 合约构造函数。

在这个示例中，如果 Alice 没有足够的 ETH 支付 gas 费，来铸造一个 NFT，她可以签署一个元交易，元交易的 data 是由 abi.encodeWithSignature(functionSelector, parmas…) 得到的，将该元交易递交给具有足够 ETH 的 Bob，Bob 调用元交易合约 MinimalForwarder.execute(req, signature)，从而让 Alice 的元交易成功执行。

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