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：

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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。

  5. 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: MITpragma 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tokenfunction 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 Solidityfunction 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：

AirDroptestAirDrop: 0x5FbDB2315678afecb367f032d93F642f64180aa3MyToken: 0xe7f1725E7734CE288F8367e1Bb143E90bb3F0512AirDrop bal =2nlist =['0xf39fd6e51aad88f6f4ce6ab8827279cfffb922660000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000002','0x70997970c51812dc3a010c7d01b50e0d17dc79c80000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000002']tree =└─ 1a7a429f400d85c26a5848cca75bdd5058aa94d7ff5b42d936d8b1c2d8ef9743 ├─ f23ba99f1ec426341536c572dc91ecc790ff86f74ea7aa03df4846a680dd4e73 └─ 274996539fafc4b0887fdcfbe1c73bc1147c223b1ebedc6e4e8462a80707d2c7root =0x1a7a429f400d85c26a5848cca75bdd5058aa94d7ff5b42d936d8b1c2d8ef9743leaf =0xf23ba99f1ec426341536c572dc91ecc790ff86f74ea7aa03df4846a680dd4e73proof =['0x274996539fafc4b0887fdcfbe1c73bc1147c223b1ebedc6e4e8462a80707d2c7']hasClaimed =falsehasClaimed =true✔(2099ms)1 passing (2s)

欢迎大家批评指导，共同学习。（太困了！！！）