Solana核心概念: 程序派生地址 (PDA)

在Solana中，程序派生地址（PDA）有两个主要用途：

确定性账户地址：通过组合可选“种子”（预定义输入）和特定程序ID来确定性地派生地址。
启用程序签名：Solana运行时允许程序对派生自其程序ID的PDA进行“签名”。

可以将PDA看作是通过预定义输入（例如字符串、数字和其他账户地址）在链上创建类似哈希表结构的一种方式。

这种方法的好处在于，它消除了对准确地址的跟踪需求。相反，您只需记住用于其派生的特定输入。

重要的是要明白，简单地派生程序派生地址（PDA）不会自动在该地址上创建链上账户。以 PDA 作为链上地址的账户必须通过用于派生地址的程序明确创建。你可以将派生 PDA 理解为在地图上找到地址。仅有地址并不意味着该位置上有任何建筑物。

📝NOTE

本节将涵盖有关推导 PDAs 的详细信息。有关程序如何使用 PDAs 进行签名的细节将在跨程序调用 (CPIs) 部分中进行讨论，因为这需要两个概念的上下文。

关键点

通过使用用户定义的种子、bump seed 和程序的 ID 的组合，确定性地推导出 PDAs 地址。
PDAs 是指偏离 Ed25519 曲线且没有相应私钥的地址。
Solana 程序可以通过其程序 ID 为使用该程序 ID 推导出的 PDAs 进行程序化“签名”。
推导 PDA 不会自动创建链上账户。
使用 PDA 作为地址的账户必须通过 Solana 程序内的专用指令显式创建。

什么是PDA

PDA是确定性派生的地址，类似标准公钥，但没有关联的私钥。

外部用户无法为该地址生成有效签名。

然而，Solana运行时允许程序无需私钥即可程序化地对PDA进行“签名”。

在上下文中，Solana Keypairs 是 Ed25519 曲线上的点(椭圆曲线加密)，具有公钥和对应的私钥。

我们经常使用公钥作为新的链上账户的唯一标识符，私钥用于签名。

PDA 是使用预定义的一组输入故意导出到 Ed25519 曲线之外的点。

不在 Ed25519 曲线上的点没有有效的对应私钥，无法用于加密操作（签名）。

PDA 然后可以用作链上账户的地址（唯一标识符），提供一种便捷的存储、映射和获取程序状态的方法。

如何派生PDA

派生PDA需要三个输入：

可选种子：用于派生PDA的预定义输入（如字符串、数字、其他账户地址），这些输入转换为字节缓冲区。
递增种子：保证生成有效PDA的附加输入（值在255到0之间）。递增种子附加到可选种子后用于生成PDA，将点“推离”Ed25519曲线。
程序ID：用于派生PDA的程序地址，也是可以代表PDA“签名”的程序。

使用findProgramAddressSync方法可以派生PDA，输入可选种子的字节缓冲区和程序ID。找到有效PDA后，该方法返回地址（PDA）和递增种子。

以下示例包含指向Solana Playground的链接，在那里您可以在基于浏览器的编辑器中运行示例。

示例代码

要衍生一个PDA，我们可以使用 @solana/web3.js 中的 findProgramAddressSync 方法。在其他编程语言（例如 Rust）中也有这个函数的等价物，但本节中我们将通过Javascript的示例进行讲解。

使用 findProgramAddressSync 方法时，我们传入：

预定义的可选seeds转换为字节缓冲区，
以及用于衍生PDA的程序ID（地址）

找到有效的PDA后，findProgramAddressSync 方法将返回PDA的地址和用于衍生PDA的bump seed。

以下示例衍生一个PDA，而不提供任何可选seeds。

import { PublicKey } from "@solana/web3.js";

const programId = new PublicKey("11111111111111111111111111111111");

const [PDA, bump] = PublicKey.findProgramAddressSync([], programId);

console.log(`PDA: ${PDA}`);
console.log(`Bump: ${bump}`);

您可以在 Solana Playground 上运行此示例。PDA 和bump seed 输出将始终相同。

PDA: Cu7NwqCXSmsR5vgGA3Vw9uYVViPi3kQvkbKByVQ8nPY9
Bump: 255

增加可选种子“helloWorld”：

import { PublicKey } from "@solana/web3.js";

const programId = new PublicKey("11111111111111111111111111111111");
const string = "helloWorld";

const [PDA, bump] = PublicKey.findProgramAddressSync(
  [Buffer.from(string)],
  programId,
);

console.log(`PDA: ${PDA}`);
console.log(`Bump: ${bump}`);

你也可以在 Solana Playground 上运行此示例。PDA 和增量种子的输出将始终相同：

PDA: 46GZzzetjCURsdFPb7rcnspbEMnCBXe9kpjrsZAkKb6X
Bump: 254

请注意，增量种子为254。这意味着255导出了Ed25519曲线上的一个点，并不是有效的PDA。

由 findProgramAddressSync 返回的增量种子是在给定的可选种子和程序 ID 组合中导出有效 PDA 的第一个值（介于255-0之间）。

📝NOTE

这个第一个有效的提升种子被称为“规范提升”。为了程序安全起见，在处理 PDAs 时建议只使用规范提升。

生成PDA账户

在底层，findProgramAddressSync 会迭代地将一个额外的bump seed (nonce) 附加到种子缓冲区并调用 createProgramAddressSync 方法。 bump seed 从值为 255 开始，每次减 1，直到找到有效的 PDA (脱轨)。

您可以通过使用 createProgramAddressSync 并显式传递 254 的增量种子来复制先前的示例。

import { PublicKey } from "@solana/web3.js";
 
const programId = new PublicKey("11111111111111111111111111111111");
const string = "helloWorld";
const bump = 254;
 
const PDA = PublicKey.createProgramAddressSync(
  [Buffer.from(string), Buffer.from([bump])],
  programId,
);
 
console.log(`PDA: ${PDA}`);

在Solana Playground上运行上述示例。在使用相同的seeds和程序ID的情况下，PDA输出将与先前的匹配：

PDA: 46GZzzetjCURsdFPb7rcnspbEMnCBXe9kpjrsZAkKb6X

Canonical Bump

“规范碰撞” 指的是从 255 开始递减到 1 的第一个碰撞 seed，从而派生出一个有效的 PDA。出于程序安全考虑，建议仅使用从规范碰撞派生的 PDA。

使用上面的例子作为参考，下面的示例尝试使用从 255-0 的每个碰撞 seed 来派生一个 PDA。

import { PublicKey } from "@solana/web3.js";
 
const programId = new PublicKey("11111111111111111111111111111111");
const string = "helloWorld";
 
// Loop through all bump seeds for demonstration
for (let bump = 255; bump >= 0; bump--) {
  try {
    const PDA = PublicKey.createProgramAddressSync(
      [Buffer.from(string), Buffer.from([bump])],
      programId,
    );
    console.log("bump " + bump + ": " + PDA);
  } catch (error) {
    console.log("bump " + bump + ": " + error);
  }
}

在 Solana Playground 上运行示例，您应该会看到以下输出：

bump 255: Error: Invalid seeds, address must fall off the curve
bump 254: 46GZzzetjCURsdFPb7rcnspbEMnCBXe9kpjrsZAkKb6X
bump 253: GBNWBGxKmdcd7JrMnBdZke9Fumj9sir4rpbruwEGmR4y
bump 252: THfBMgduMonjaNsCisKa7Qz2cBoG1VCUYHyso7UXYHH
bump 251: EuRrNqJAofo7y3Jy6MGvF7eZAYegqYTwH2dnLCwDDGdP
bump 250: Error: Invalid seeds, address must fall off the curve
...
// remaining bump outputs

正如预期的那样，bump 种子 255 会引发错误，第一个用于导出有效 PDA 的 bump 种子是 254。

但请注意，bump 种子 253-251 都会导出具有不同地址的有效 PDA。这意味着，在给定相同的可选种子和programId的情况下，具有不同值的 bump 种子仍然可以导出有效的 PDA。

⚠️WARNING

在构建Solana程序时，建议包含安全检查，验证传递给程序的PDA是否使用规范的增量派生。如果未这样做，可能会引入漏洞，允许向程序提供意外的帐户。

创建PDA账户

在 Solana Playground 上的这个示例程序演示了如何使用 PDA 作为 newaccount 的地址来创建帐户。该示例程序是使用 Anchor 框架编写的。

在 lib.rs 文件中，您将找到以下程序，其中包含一个指令，用于使用 PDA 作为账户地址创建新账户。

新账户存储用户地址和用于派生 PDA 的递增种子。

use anchor_lang::prelude::*;
 
declare_id!("75GJVCJNhaukaa2vCCqhreY31gaphv7XTScBChmr1ueR");
 
#[program]
pub mod pda_account {
    use super::*;
 
    pub fn initialize(ctx: Context<Initialize>) -> Result<()> {
        let account_data = &mut ctx.accounts.pda_account;
        // store the address of the `user`
        account_data.user = *ctx.accounts.user.key;
        // store the canonical bump
        account_data.bump = ctx.bumps.pda_account;
        Ok(())
    }
}
 
#[derive(Accounts)]
pub struct Initialize<'info> {
    #[account(mut)]
    pub user: Signer<'info>,
 
    #[account(
        init,
        // set the seeds to derive the PDA
        seeds = [b"data", user.key().as_ref()],
        // use the canonical bump
        bump,
        payer = user,
        space = 8 + DataAccount::INIT_SPACE
    )]
    pub pda_account: Account<'info, DataAccount>,
    pub system_program: Program<'info, System>,
}
 
#[account]
 
#[derive(InitSpace)]
pub struct DataAccount {
    pub user: Pubkey,
    pub bump: u8,
}

用于派生 PDA 的种子包括指令中提供的user帐户的硬编码字符串data和地址。 Anchor 框架会自动派生规范化的bump种子。

#[account(
    init,
    seeds = [b"data", user.key().as_ref()],
    bump,
    payer = user,
    space = 8 + DataAccount::INIT_SPACE
)]
pub pda_account: Account<'info, DataAccount>,

init约束指示Anchor调用系统程序，使用PDA作为地址创建新帐户。

在幕后，这是通过CPI完成的。

#[account(
    init,
    seeds = [b"data", user.key().as_ref()],
    bump,
    payer = user,
    space = 8 + DataAccount::INIT_SPACE
)]
pub pda_account: Account<'info, DataAccount>,

在上面提供的 Solana Playground 链接中的测试文件（pda-account.test.ts）中，您将找到派生 PDA 的 JavaScript 等效代码。

const [PDA] = PublicKey.findProgramAddressSync(
  [Buffer.from("data"), user.publicKey.toBuffer()],
  program.programId,
);

然后发送交易以调用initialize指令，使用PDA作为地址创建新的链上账户。一旦发送交易，PDA用于获取在该地址创建的链上账户。

it("Is initialized!", async () => {
  const transactionSignature = await program.methods
    .initialize()
    .accounts({
      user: user.publicKey,
      pdaAccount: PDA,
    })
    .rpc();
 
  console.log("Transaction Signature:", transactionSignature);
});
 
it("Fetch Account", async () => {
  const pdaAccount = await program.account.dataAccount.fetch(PDA);
  console.log(JSON.stringify(pdaAccount, null, 2));
});

请注意，如果您多次使用相同的user地址作为种子调用initialize指令，则交易将失败。

这是因为在派生地址处已经存在一个帐户。

总结

程序派生地址 (PDA) 概述

在Solana中，程序派生地址（PDA）有两个主要用途：

确定性账户地址：通过组合可选的“种子”和程序ID来确定性地生成地址。
程序签名：Solana运行时允许程序对PDA进行签名。

关键特点

确定性派生：PDA通过用户定义的种子、递增种子（bump seed）和程序ID组合确定性地派生。
无私钥：PDA没有对应的私钥，因此没有用户可以对其生成有效签名，但程序可以进行签名。
显式创建账户：派生PDA不会自动创建链上账户，必须通过程序显式创建。

PDA的派生过程

派生PDA需要三个输入：

可选种子：预定义的输入（如字符串、数字、其他账户地址）。
递增种子：用于保证生成有效PDA的附加输入，值在255到0之间。
程序ID：用于派生PDA的程序地址。

使用这些输入，程序可以确定性地生成唯一的PDA。

示例代码

以下示例展示了如何使用findProgramAddressSync方法派生PDA：

import { PublicKey } from "@solana/web3.js";

const programId = new PublicKey("11111111111111111111111111111111");

const [PDA, bump] = PublicKey.findProgramAddressSync([], programId);

console.log(`PDA: ${PDA}`);
console.log(`Bump: ${bump}`);

增加可选种子“helloWorld”：

import { PublicKey } from "@solana/web3.js";

const programId = new PublicKey("11111111111111111111111111111111");
const string = "helloWorld";

const [PDA, bump] = PublicKey.findProgramAddressSync(
  [Buffer.from(string)],
  programId,
);

console.log(`PDA: ${PDA}`);
console.log(`Bump: ${bump}`);

创建PDA账户

以下示例展示了如何使用PDA作为新账户的地址创建账户（使用Anchor框架编写）：

use anchor_lang::prelude::*;

declare_id!("75GJVCJNhaukaa2vCCqhreY31gaphv7XTScBChmr1ueR");

#[program]
pub mod pda_account {
    use super::*;

    pub fn initialize(ctx: Context<Initialize>) -> Result<()> {
        let account_data = &mut ctx.accounts.pda_account;
        account_data.user = *ctx.accounts.user.key;
        account_data.bump = ctx.bumps.pda_account;
        Ok(())
    }
}

#[derive(Accounts)]
pub struct Initialize<'info> {
    #[account(mut)]
    pub user: Signer<'info>,

    #[account(
        init,
        seeds = [b"data", user.key().as_ref()],
        bump,
        payer = user,
        space = 8 + DataAccount::INIT_SPACE
    )]
    pub pda_account: Account<'info, DataAccount>,
    pub system_program: Program<'info, System>,
}

#[account]
#[derive(InitSpace)]
pub struct DataAccount {
    pub user: Pubkey,
    pub bump: u8,
}

注意事项

规范递增种子：建议只使用规范递增种子派生的PDA，以确保程序安全。
账户创建：使用相同用户地址作为种子多次调用initialize指令会失败，因为在派生地址处已经存在账户。

Solana核心概念: 程序派生地址 (PDA)

关键点

什么是PDA

如何派生PDA

示例代码

生成PDA账户

Canonical Bump

创建PDA账户

总结

程序派生地址 (PDA) 概述

关键特点

PDA的派生过程

示例代码

创建PDA账户

注意事项

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