solidity——默克尔树实现零成本空投
在web3.0中，大家对空投肯定不陌生。如果项目方要大规模给用户进行空投，所需gas将是一笔不小的开支，特别是在以太坊链上，其次是大规模连续转账交易所涉及的事物原子性等问题也值得考虑。接下来将介绍一种相对低成本、安全性高的空投实现方式：通过默克尔树验证用户信息有效性并发放空投。
一、默克尔树介绍
默克尔树（Merkle Tree）是一种二叉树数据结构，它使用哈希函数将大量数据块组织成树状结构，用于快速验证大型数据集的完整性。默克尔树的主要原理包括以下几个关键点：
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哈希函数： 默克尔树使用哈希函数对数据块进行哈希运算。常用的哈希函数如 SHA-256，SHA-3 等。
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叶子节点： 待存储的原始数据被分割成固定大小的块，每个块作为树的叶子节点，通过哈希函数生成一个哈希值。
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构建树结构： 叶子节点按顺序两两配对，将它们的哈希值拼接后再次进行哈希运算，生成一个新的哈希值。这个过程一直重复，直到树的根节点生成。
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根节点： 默克尔树的根节点是最终的哈希值，称为 Merkle 根。它是树中所有数据块的紧凑表示。
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证明： 如果需要验证某个特定数据块是否在树中，可以提供一组哈希值，称为默克尔证明（Merkle Proof）。这个证明包括沿着树路径的一系列哈希值，从叶子节点到根节点。通过检查证明的有效性，可以快速验证数据块的完整性。
Merkle Tree允许对大型数据结构的内容进行有效和安全的验证（Merkle Proof）。对于有N个叶子结点的Merkle Tree，在已知root根值的情况下，验证某个数据是否有效（属于Merkle Tree叶子结点）只需要log(N)个数据（也叫proof），非常高效。如果数据有误，或者给的proof错误，则无法还原出root根植。 下面的例子中，叶子L1的Merkle proof为Hash 0-1和Hash 1：知道这两个值，就能验证L1的值是不是在Merkle Tree的叶子中。 因为通过叶子L1我们就可以算出Hash 0-0，我们又知道了Hash 0-1，那么Hash 0-0和Hash 0-1就可以联合算出Hash 0，然后我们又知道Hash 1，Hash 0和Hash 1就可以联合算出Top Hash，也就是root节点的hash。
二、实现方式
合约代码如下：
// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.20;
import "@openzeppelin/contracts/utils/cryptography/MerkleProof.sol";
import "@openzeppelin/contracts/token/ERC20/IERC20.sol";
import "@openzeppelin/contracts/token/ERC20/utils/SafeERC20.sol";
import "@openzeppelin/contracts-upgradeable/utils/ReentrancyGuardUpgradeable.sol";
contract AirDrop is ReentrancyGuardUpgradeable{
uint256 private index;
using SafeERC20 for IERC20;
mapping (bytes32 => mapping (address => uint256)) private indexs;
mapping(uint256 => mapping (address => bool)) private isClaimed;
//设置根、空投token
function setRootAndToken (bytes32 _root,address _address) external {
indexs[_root][_address] = ++index;
}
function hasClaimed(bytes32 _root,address token,address _address) external view returns (bool) {
uint256 _index = indexs[_root][token];
return isClaimed[_index][_address];
}
function claim(
address account,
uint256 amount,
bytes32[] calldata merkleProof,
bytes32 _root,
address token
) external nonReentrant{
uint256 _index = indexs[_root][token];
require(!isClaimed[_index][account], 'Already claimed.');
bytes32 _leaf = keccak256(abi.encodePacked(account, amount));
bool isValidProof = MerkleProof.verifyCalldata(merkleProof,_root,_leaf);
require(isValidProof, 'Invalid proof.');
isClaimed[_index][account] = true;
IERC20 dropToken = IERC20(token);
uint256 bal = dropToken.balanceOf(address(this));
require(
bal >= amount,
"Insufficient balance"
);
dropToken.safeTransfer(account, amount);
}
}- 后端导入空投白名单，对数据进行持久化，通常包括空投用户地址、空投数量，并计算出默克尔树root。
- 通过调用合约中的setRootAndToken(bytes32 _root,address _address)函数，提前将root和空投token存储在合约状态变量中，并向合约账户转入本次空投总共花费的token数量。
- 用户登陆前端页面后，从后端获取自己的空投数量、root、空投token等调用claim(address account,uint256 amount,bytes32[] calldata merkleProof,bytes32 _root,address token)所需参数，需要用户进行主动领取(其实是将成本转换到用户身上，目前主流的方式)。
三、验证
这里通过hardhat的Mocha+chai.js来做测试用例：
import {
time,
loadFixture,
} from "@nomicfoundation/hardhat-toolbox/network-helpers";
import { anyValue } from "@nomicfoundation/hardhat-chai-matchers/withArgs";
import { expect } from "chai";
import { ethers } from "hardhat";
import { MerkleTree } from 'merkletreejs'
// Same as `abi.encodePacked` in Solidity
function encodePacked(address:any, spots:any) {
return ethers.solidityPacked(["address", "uint256"],[address, spots])
}
describe("AirDrop",function(){
async function deployTokenFixture() {
const [owner,account1,account2,account3] = await ethers.getSigners();
const token = await ethers.getContractFactory("AirDrop")
const _token = await token.deploy()
await _token.waitForDeployment();
const myToken = await ethers.getContractFactory("MyToken")
const _myToken = await myToken.deploy(owner.address,"My Token","MTK",100);
await _myToken.waitForDeployment();
console.log("AirDrop: "+await _token.getAddress());
console.log("MyToken: "+await _myToken.getAddress());
return {_token,_myToken,owner,account1,account2,account3}
}
describe("test",function(){
it("",async function () {
const { _token,_myToken, owner,account1,account2,account3 } = await loadFixture(deployTokenFixture);
let tokenAdd = await _token.getAddress()
let myTokenAdd = await _myToken.getAddress()
let tx = await _myToken.transfer(tokenAdd,2);
await tx.wait();
console.log("AirDrop bal = ",await _myToken.balanceOf(tokenAdd))
let list = [
encodePacked(owner.address, 2),
encodePacked(account1.address, 2),
];
console.log("list = ",list);
//构造树
let tree = new MerkleTree(list, ethers.keccak256, { hashLeaves: true,sortPairs: true });
// 获取树根
let root = tree.getHexRoot();
console.log("tree = ",tree.toString());
console.log("root = ",root);
await _token.setRootAndToken(root,myTokenAdd)
//获取树叶
let leaf = ethers.keccak256(list[0])
//获取证明
let proof = tree.getHexProof(leaf);
console.log("leaf = ",leaf);
console.log("proof = ",proof);
console.log("hasClaimed = ",await _token.hasClaimed(root,myTokenAdd,owner.address))
await _token.claim(owner.address, 2,proof,root,myTokenAdd)
console.log("hasClaimed = ",await _token.hasClaimed(root,myTokenAdd,owner.address))
})
})
})这是验证结果：
AirDrop
test
AirDrop: 0x5FbDB2315678afecb367f032d93F642f64180aa3
MyToken: 0xe7f1725E7734CE288F8367e1Bb143E90bb3F0512
AirDrop bal = 2n
list = [
'0xf39fd6e51aad88f6f4ce6ab8827279cfffb922660000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000002',
'0x70997970c51812dc3a010c7d01b50e0d17dc79c80000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000002'
]
tree = └─ 1a7a429f400d85c26a5848cca75bdd5058aa94d7ff5b42d936d8b1c2d8ef9743
├─ f23ba99f1ec426341536c572dc91ecc790ff86f74ea7aa03df4846a680dd4e73
└─ 274996539fafc4b0887fdcfbe1c73bc1147c223b1ebedc6e4e8462a80707d2c7
root = 0x1a7a429f400d85c26a5848cca75bdd5058aa94d7ff5b42d936d8b1c2d8ef9743
leaf = 0xf23ba99f1ec426341536c572dc91ecc790ff86f74ea7aa03df4846a680dd4e73
proof = [
'0x274996539fafc4b0887fdcfbe1c73bc1147c223b1ebedc6e4e8462a80707d2c7'
]
hasClaimed = false
hasClaimed = true
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THE END
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