Ethers极简入门: 18. 数字签名脚本

我最近在重新学ethers.js，巩固一下细节，也写一个WTF Ethers极简入门，供小白们使用。

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这一讲，我们介绍一个利用链下签名作为白名单发放NFT的方法。如果你对ECDSA合约不熟悉，请看WTF Solidity极简教程第37讲：数字签名。

数字签名

如果你用过opensea交易NFT，对签名就不会陌生。下图是小狐狸（metamask）钱包进行签名时弹出的窗口，它可以证明你拥有私钥的同时不需要对外公布私钥。

以太坊使用的数字签名算法叫双椭圆曲线数字签名算法（ECDSA），基于双椭圆曲线“私钥-公钥”对的数字签名算法。它主要起到了三个作用：

1. 身份认证：证明签名方是私钥的持有人。
2. 不可否认：发送方不能否认发送过这个消息。
3. 完整性：消息在传输过程中无法被修改。

数字签名合约简述

WTF Solidity极简教程第37讲：数字签名中的SignatureNFT合约利用ECDSA验证白名单铸造NFT。我们讲下两个重要的函数：

1. 构造函数：初始化NFT的名称，代号，和签名公钥signer。

2. mint()：利用ECDSA验证白名单地址并铸造。参数为白名单地址account，铸造的tokenId，和签名signature。

生成数字签名

1. 打包消息：在以太坊的ECDSA标准中，被签名的消息是一组数据的keccak256哈希，为bytes32类型。我们可以利用ethers.js提供的solidityPackedKeccak256()函数，把任何想要签名的内容打包并计算哈希。等效于solidity中的keccak256(abi.encodePacked())。

   在下面的代码中，我们将一个address类型变量和一个uint256类型变量打包后哈希，得到消息：

   // 创建消息
   const account = "0x5B38Da6a701c568545dCfcB03FcB875f56beddC4"
   const tokenId = "0"
   // 等效于Solidity中的keccak256(abi.encodePacked(account, tokenId))
   const msgHash = ethers.solidityPackedKeccak256(
       ['address', 'uint256'],
       [account, tokenId])
   console.log(`msgHash：${msgHash}`)
   // msgHash：0x1bf2c0ce4546651a1a2feb457b39d891a6b83931cc2454434f39961345ac378c

2. 签名：为了避免用户误签了恶意交易，EIP191提倡在消息前加上"\x19Ethereum Signed Message:\n32"字符，再做一次keccak256哈希得到以太坊签名消息，然后再签名。ethers.js的钱包类提供了signMessage()函数进行符合EIP191标准的签名。注意，如果消息为string类型，则需要利用arrayify()函数处理下。例子：

   // 签名
   const messageHashBytes = ethers.getBytes(msgHash)
   const signature = await wallet.signMessage(messageHashBytes);
   console.log(`签名：${signature}`)
   // 签名：0x390d704d7ab732ce034203599ee93dd5d3cb0d4d1d7c600ac11726659489773d559b12d220f99f41d17651b0c1c6a669d346a397f8541760d6b32a5725378b241c

链下签名白名单铸造NFT

1. 创建provider和wallet，其中wallet是用于签名的钱包。

   // 准备 alchemy API 可以参考https://github.com/AmazingAng/WTF-Solidity/blob/main/Topics/Tools/TOOL04_Alchemy/readme.md 
   const ALCHEMY_GOERLI_URL = 'https://eth-goerli.alchemyapi.io/v2/GlaeWuylnNM3uuOo-SAwJxuwTdqHaY5l';
   const provider = new ethers.JsonRpcProvider(ALCHEMY_GOERLI_URL);
   // 利用私钥和provider创建wallet对象
   const privateKey = '0x227dbb8586117d55284e26620bc76534dfbd2394be34cf4a09cb775d593b6f2b'
   const wallet = new ethers.Wallet(privateKey, provider)

2. 根据白名单地址和他们能铸造的tokenId生成消息并签名。

   // 创建消息
   const account = "0x5B38Da6a701c568545dCfcB03FcB875f56beddC4"
   const tokenId = "0"
   // 等效于Solidity中的keccak256(abi.encodePacked(account, tokenId))
   const msgHash = ethers.solidityPackedKeccak256(
       ['address', 'uint256'],
       [account, tokenId])
   console.log(`msgHash：${msgHash}`)
   // 签名
   const messageHashBytes = ethers.getBytes(msgHash)
   const signature = await wallet.signMessage(messageHashBytes);
   console.log(`签名：${signature}`)
   

3. 创建合约工厂，为部署NFT合约做准备。

   // NFT的人类可读abi
   const abiNFT = [
       "constructor(string memory _name, string memory _symbol, address _signer)",
       "function name() view returns (string)",
       "function symbol() view returns (string)",
       "function mint(address _account, uint256 _tokenId, bytes memory _signature) external",
       "function ownerOf(uint256) view returns (address)",
       "function balanceOf(address) view returns (uint256)",
   ];
   // 合约字节码，在remix中，你可以在两个地方找到Bytecode
   // i. 部署面板的Bytecode按钮
   // ii. 文件面板artifact文件夹下与合约同名的json文件中
   // 里面"object"字段对应的数据就是Bytecode，挺长的，608060起始
   // "object": "608060405260646000553480156100...
   const bytecodeNFT = contractJson.default.object;
   const factoryNFT = new ethers.ContractFactory(abiNFT, bytecodeNFT, wallet);

4. 利用合约工厂部署NFT合约。

   // 部署合约，填入constructor的参数
   const contractNFT = await factoryNFT.deploy("WTF Signature", "WTF", wallet.address)
   console.log(`合约地址: ${contractNFT.target}`);
   console.log("等待合约部署上链")
   await contractNFT.waitForDeployment()
   // 也可以用 contractNFT.deployTransaction.wait()
   console.log("合约已上链")
   

5. 调用NFT合约的mint()函数，利用链下签名验证白名单，为account地址铸造NFT。

   console.log(`NFT名称: ${await contractNFT.name()}`)
   console.log(`NFT代号: ${await contractNFT.symbol()}`)
   let tx = await contractNFT.mint(account, tokenId, signature)
   console.log("铸造中，等待交易上链")
   await tx.wait()
   console.log(`mint成功，地址${account} 的NFT余额: ${await contractNFT.balanceOf(account)}\n`)
   

用于生产环境

在生产环境使用数字签名验证白名单发行NFT主要有以下步骤：

1. 确定白名单列表。
2. 在后端维护一个签名钱包，生成每个白名单对应的消息和签名。
3. 部署NFT合约，并将签名钱包的公钥signer保存在合约中。
4. 用户铸造时，向后端请求地址对应的签名。
5. 用户调用mint()函数进行铸造NFT。

总结

这一讲，我们介使用ethers.js配合智能合约，以链下数字签名的方式验证白名单并发行NFT。Merkle Tree和链下数字签名是目前最主流也最经济的发放白名单方式。如果合约部署的时候已经确定好白名单列表，那么建议用Merkle Tree；如果在合约部署之后要不断添加白名单，例如Galaxy Project的OAT，那么建议用链下签名的方式，不然就要不断更新合约中Merkle Tree的root，耗费更多的gas。