智能合约开发实战——元交易（Metatransaction），元交易合约的实现

引言

前一篇文章（可以看我主页哦）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。

前置知识概述

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。

Hash

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。

ECDSA

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。

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。

mapping(address => uint256) private _nonces;
function getNonce(address from) public view returns (uint256) {
    return _nonces[from];
}

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。