Solana核心概念-程序派生地址 (PDA)

程序派生地址 (PDAs) 为 Solana 上的开发者提供了两个主要用例：

确定性账户地址: PDAs 提供了一种机制，通过组合可选的“种子”（预定义输入）和特定的程序 ID 来确定性地派生一个地址。
启用程序签名: Solana 运行时允许程序为从其程序 ID 派生的 PDAs “签名”。

你可以将 PDAs 视为一种通过预定义的一组输入（例如字符串、数字和其他账户地址）在链上创建类似哈希映射结构的方法。
这种方法的好处是消除了跟踪确切地址的需要。相反，你只需记住用于派生地址的特定输入。

重要的是要理解，简单地派生一个程序派生地址（PDA）并不会自动在该地址创建一个链上账户。具有 PDA 作为链上地址的账户必须通过用于派生地址的程序显式创建。你可以将派生 PDA 视为在地图上找到一个地址。仅仅拥有一个地址并不意味着在该位置有构建内任何内容。

本节将介绍派生 PDAs 的详细信息。有关程序如何使用 PDAs 进行签名的详细信息将在跨程序调用（CPIs）一节中介绍，因为它需要这两个概念的上下文。

关键点

PDAs 是使用用户定义的种子、一个 bump 种子和程序 ID 的组合确定性派生的地址。
PDAs 是落在 Ed25519 曲线之外的地址，没有对应的私钥。
Solana 程序可以以编程方式代表使用其程序 ID 派生的 PDA 进行“签名”。
派生 PDA 并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 程序中的专用指令显式创建。

什么是 PDA

PDAs 是确定性派生的地址，看起来像标准的公钥，但没有关联的私钥。这意味着没有外部用户可以为该地址生成有效的签名。然而，Solana 运行时允许程序以编程方式为 PDAs“签名”而无需私钥。

作为背景，Solana Keypairs 是 Ed25519 曲线（椭圆曲线加密）上的点，具有公钥和对应的私钥。我们通常使用公钥作为新链上账户的唯一 ID，并使用私钥进行签名。

PDA 是一个通过预定义的一组输入故意派生到 Ed25519 曲线之外的点。一个不在 Ed25519 曲线上的点没有有效的对应私钥，不能用于加密操作（签名）。

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

如何派生 PDA

派生 PDA 需要 3 个输入。

可选种子：用于派生 PDA 的预定义输入（例如字符串、数字、其他账户地址）。这些输入被转换为字节缓冲区。这些输入被转换为字节缓冲区。
Bump 种子：一个附加输入（值在 255-0 之间），用于保证生成有效的 PDA（曲线外）。生成 PDA 时，将 bump 种子（从 255 开始）附加到可选种子，以将点“推离 ”Ed25519 曲线。 bump 种子有时被称为“nonce”。
程序 ID：PDA 派生自的程序地址。这也是可以代表 PDA“签名”的程序。

下面的示例包括链接到 Solana Playground，你可以在浏览器编辑器中运行这些示例。

FindProgramAddress

要派生 PDA，我们可以使用 findProgramAddressSync 方法，该方法来自 @solana/web3.js。其他编程语言（例如 Rust）中也有此函数的等价物，但在本节中，我们将通过 Javascript 示例进行讲解。其他编程语言（例如 Rust）中也有此函数的等价物，但在本节中，我们将通过 Javascript 示例进行讲解。

使用findProgramAddressSync方法时，我们传入：

转换为字节缓冲区的预定义可选种子，以及
用于派生 PDA 的程序 ID（地址）

一旦找到有效的 PDA，findProgramAddressSync将返回派生 PDA 的地址（PDA）和 bump 种子。

下面的示例在没有提供任何可选种子的情况下派生 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}`);

你可以在 Solana Playground 上运行此示例。 PDA 和 bump 种子的输出将始终相同：

Running client...
  client.ts:
    PDA: Cu7NwqCXSmsR5vgGA3Vw9uYVViPi3kQvkbKByVQ8nPY9
    Bump: 255

下面的示例添加了一个可选种子"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 bump 种子的输出将始终相同：

PDA: 46GZzzetjCURsdFPb7rcnspbEMnCBXe9kpjrsZAkKb6X
Bump: 254

注意，bump 种子是 254。这意味着 255 派生了 Ed25519 曲线上的一个点，并不是一个有效的 PDA。
findProgramAddressSync返回的 bump 种子是给定可选种子和程序 ID 组合的第一个值（在 255-0 之间），该值派生了一个有效的 PDA。

这个第一个有效的 bump 种子被称为“规范 bump”。为了程序安全，建议在使用 PDAs 时仅使用规范 bump。

CreateProgramAddress

在底层，findProgramAddressSync将迭代地将附加的 bump 种子（nonce）附加到种子缓冲区，并调用 createProgramAddressSync 方法。bump 种子从 255 开始，每次减少 1，直到找到有效的 PDA（曲线外）

你可以通过使用createProgramAddressSync并显式传入 254 的 bump 种子来复制前面的示例

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}`);

规范 Bump 在 Solana Playground 上运行上述示例。给定相同的种子和程序 ID，PDA 输出将与前一个匹配：

PDA: 46GZzzetjCURsdFPb7rcnspbEMnCBXe9kpjrsZAkKb6X

规范 Bump

“规范 bump”是指派生有效 PDA 的第一个 bump 种子（从 255 开始，每次减少 1）。为了程序安全，建议仅使用从规范 bump 派生的 PDAs。

以之前的示例为参考，下面的示例尝试使用从 255 到 0 的每个 bump 种子派生 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 上运行该示例，你应该会看到以下输出：

Running client...
  client.ts:
    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
    bump 249: Es18AFZ4N7U4aBKTVvq5GzpUxWseFzxxQuvpZaxne38Y
    bump 248: 8VzFABVVp8RRTzhmCpeMgYo8t3CYERtVpi646BabfV18
    ...

正如预期的那样，bump seed 255 会抛出错误，第一个导出有效 PDA 的 bump seed 是 254。

但是，请注意 bump seeds 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 seed 仍然可以导出有效的 PDA。

在构建 Solana 程序时，建议包括安全检查，以验证传递给程序的 PDA 是使用规范的 bump 导出的。如果不这样做，可能会引入漏洞，允许向程序提供意外的账户。

创建 PDA 账户

这个在 Solana Playground 上的示例程序演示了如何使用 PDA 作为新账户的地址来创建账户。示例程序是使用 Anchor 框架编写的。

在 lib.rs 文件中，你会发现以下程序，其中包括一个使用 PDA 作为账户地址创建新账户的指令。新账户存储了 user 的地址和用于导出 PDA 的 bump seed。

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,
}

用于导出 PDA 的种子包括硬编码字符串 data 和指令中提供的 user 账户的地址。 Anchor 框架会自动导出规范的 bump seed。

#[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 作为地址创建新账户。在底层，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>,

在上述 Solana Playground 链接中的测试文件 (pda-account.test.ts) 中，你会找到等效的 Javascript 代码来导出 PDA。

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

然后发送一个交易来调用 initialize 指令，使用 PDA 作为地址创建一个新的链上账户。交易发送后，使用 PDA 来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，如果使用相同的 user 地址作为种子多次调用 initialize 指令，则交易将失败。这是因为在导出的地址上已经存在一个账户。

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