本文以 ENS 为例从整体架构到合约细节,深度剖析 Web3 域名系统的设计。

作者:@axtrurBuidler DAO 研究员

编排:@Coucou

封面:ens.eth

Web3 域名系统,简而言之就是基于区块链的分布式、去中心化的命名系统,与 DNS(互联网名称服务)类似,将地址(钱包地址或智能合约地址)解析成可读性的名称,本文以 ENS 为例从整体架构到合约细节,深度剖析 Web3 域名系统的设计。

全文 6000 字,预计阅读时间 15 分钟

文章速览👀:

01/ ENS 前置概念

02/ ENS 模块概念

03/ ENS 模块解析

04/ ENS 存在的问题与解决

05/ ENS 的 DNS 模块

06/ 部署自己的 web3 域名

07/ 总结

ENS 前置概念

域名层级:类似 DNS,ENS 域名层级同样分为

  • 根域名,即 “”   域名
  • 一级域名,类似 .com,.cn,在 ens 中有 .eth  和 .reverse (用来记录反向解析,后面会提到)
  • 二级域名,即用户注册的域名,比如 axtrur.eth
  • 三级域名,用户注册了二级域名之后,可以创建或修改该二级域名下的三级域名,比如 app.axtrur.eth

NameHash 算法

由于智能合约直接与可读的域名进行交互效率低,因此 ENS 采用固定长度的 256 位加密哈希作为域名记录。namehash 是一个递归算法,可从任意域名的 NameHash 值推导出任意子域名的值,而无需知道原域名的真实文本字符串,同时符合域名的多层级特性。

Namehash(“”) = “0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000” Namehash(“eth”) = keccak256(Namehash(“”), keccak256(“eth”)) Namehash(“axtrur.eth”) = keccak256(Namehash(“eth”), keccak256(“axtrur”)) Namehash(“app.axtrur.eth”) = keccak256(Namehash(“axtrur.eth”), keccak256(“app”))

node

在 ens 中,用户注册的域名比如 axtrur.eth,会采用 namehash 算法生成的哈希 node 去记录链上数据,后文中我们将提到的 node 理解为一个域名名称比如 axtrur  即可,关于 ENS 名称的处理请参考 

https://ensuser.com/docs/contract-api-reference/name-processing.html

ENS 模块概念

结合 ENS 合约代码,将 ENS 进行了模块上的梳理,方便理解。

注册表合约 (红色部分): ENS 的核心合约,负责维护名称以及对应的 (owner) 域名的所有者、resolver (解析器合约地址) 和 ttl (域名下所有记录的缓存存活时间)

注册器合约 (绿色部分):  负责分配名称的合约,有正向注册器,反向注册器,DNS 注册器

解析器合约 (蓝色部分):  负责记录域名映射关系的合约,分正向、反向解析器,其中正向解析器合约也可自定义实现

  • 正向解析(主网上有默认的公共解析器合约):负责记录域名所绑定的内容,即域名的 nameNode(比如 axtrur.eth,app.axtrur.eth)到(包括不限于 name, addr, txt, contenthash 等内容)的解析,可设置各类币种的钱包地址,还可以设置 IPFS 的内容哈希,甚至记录邮箱等第三方账号作为文本记录。
  • 反向解析(主网上有默认的反向解析器合约):负责记录钱包地址所绑定的域名,即反向域名的 nameNode(比如 {{钱包地址}}.addr.reverse ) 到 域名名称的解析

根合约:是根域名的 owner,拥有一级域名的管理权限。

控制器合约:官网的注册入口合约(如果需要实现不同的玩法合约,则统一归为控制器合约模块,需要将对应注册器合约地址设置给注册器,才有权限操作注册器进行域名 NFT 注册与记录反向解析)。

价格预言机:ENS 定价采用的是 U 本位(usdt),所以需要 USDT 预言机来计算某一时刻的注册费的 eth 换算值,ENS 主网上的注册费为:

  • 长度为 5+个字符的域名:每年支付 5 美元
  • 长度为 4 个字符的域名:每年支付 160 美元
  • 长度为 3 个字符的域名:每年支付 640 美元

DNSSEC 预言机:DNS 安全扩展预言机合约,负责校验证明 Web3 域名的所有权和有效性

ENS 模块解析

注册表合约 (EnsRegistry.sol)

注册表是 ENS 最核心的合约,上图为注册表合约内部的 records 结构,维护着域名层级 node 对应的 owner、解析器、ttl 信息图片

除了注册表信息 records 维护,合约还维护 owner 的委托管理者信息 operators,owner 可以通过添加设置委托管理者地址(可以是用户地址,也可以是合约地址)来共同管理域名信息。

合约中相关管理设置接口(比如设置解析器,ttl,以及创建和修改子域名),都会通过修饰器 authorised(node)  来限制调用权限;该修饰器将判断该接口的交易请求者是否为当前域名的 owner,或者委托管理者地址,保证了仅有域名的 owner 或委托者才有创建下一级子域名的权限。

同时这里部署初始化的时候将”” 根域名的 node 的 owner 设置为部署者,只有这样,部署者才能将根域名的 owner 设置给 Root 合约。图片

setSubnodeOwner 接口允许 owner 设置子域名的 owner 给某个用户或者合约,使得该用户或者合约拥有该子域名下的所有信息管理权限。

根合约(Root.sol)

根合约是根域名的 owner,同时根合约作为根域名的 owner,有权限调用注册表合约的 setSubnodeOwner 接口,将域名 .eth  的 owner 指向基础注册器合约;

基础注册器合约 ( BaseRegistrarImplementation.sol )

由于 Root 合约将域名 .eth  的 owner 指向基础注册器合约(又称正向注册器合约),从而基础注册器拥有 .eth  底下的二级域名的设置权限,使得用户可以通过基础注册器合约进行域名注册;同时该注册器合约继承了 ERC721 协议标准,这也就是为什么 ENS 域名可以作为 NFT 在交易市场比如 opensea 上买卖的原因。

除此之外,基础注册器合约还维护着每个域名的过期时间 expiries,注册器为每个域名设置了 90 天的保护期,当域名过期后且在保护期内,域名拥有者可以通过调用续期 renew 接口进行续期,如果超过了保护期,则需要重新注册(这里重新注册会先销毁 NFT 在重新 mint)。同时在 ENS 设计中,注册器合约(不管是正向注册器还是反向注册器)基本上都有 controllers 结构,维护着可信的 controller 注册器合约,只有可信合约才可进行调用。

控制器合约 ( ETHRegsiterController.sol )

用户在官网中,将要注册的域名等注册信息传给控制器合约,控制器合约通过预言机计算该域名的价格,同时将域名通过 namehash 转成 node 后传给基础注册器进行域名 NFT 的注册,同时将域名相关注册表信息写入注册表合约完成注册,同时域名的 owner 可以在官网通过注册表合约进行管理操作。

官网中的注册界面

核心注册流程

ENS 注册采用 “请求-提交” 两阶段注册模式

为什么需要两阶段提交?我们知道以太坊节点从交易池 pool 中捞取交易是会按照交易给的 gas 费进行优先级排序;在注册者携带待注册域名构造的交易提交上链前,在整个网络是公开透明的,恶意的攻击者可以监听并解析此类待上链交易,并构造相同域名的注册交易,通过提高 gas 费的方式抢先上链注册控制器合约注册。

为了防止此类域名抢注问题,ENS 采用了先请求,后提交的注册模式。在第一阶段并不直接提交域名,而是先调用。

makeCommitment 接口根据待申请域名 name、待申请地址 owner、随机值 secret 进行哈希后生成一条特殊的 commitment 后,通过 commit 提交上链。

提交阶段的 commitment 记录着当前时间戳,同时 ENS 设置 commitment 的有效期为 60s 到 86400s 之间;第二阶段注册的时候合约会重新计算 commitment,判断是否与第一阶段提交的一致,同时检查 Commitment 的有效期,保证跟第一阶段的链上处理时间间隔 1 分钟以上,保证记录了第一阶段交易的区块经过了至少 5 个后续区块的确认。(此时攻击者虽然可以获取域名值,但由于只有第一阶段的 owner 需要根第二阶段的 owner 一致才能生成一致的 commitment,从而避免了被抢注的风险)。图片

用户在官网的第二阶段注册流程实际上是代码中的 resolver != address(0) 逻辑分支,因为 ENS 默认会将注册的 resolver 解析器设置为默认的公共正向解析器(publicResolver 后面会提到),这里为什么需要将域名注册给合约本身然后在转移给用户呢?因为上文中我们提到注册表合约中只有 owner 或者委托管理者才有权限设置解析器或更新 owner,所以为了帮用户设置好解析器,需要通过基础注册器注册(register)给合约自身,再通过注册表合约设置解析器(setResolver),然后声明所有权(reclaim),最后才转移给注册者(transferFrom)。

解析器(Resolver)

ENS 中的解析器合约分为正向解析和反向解析,解析记录是 ENS 比较重要的内容,只有定义好规范,生态才能方便的即成 ENS 这类 Web3 域名系统。

正向解析

ENS 默认的正向解析器合约 PublicResolver.sol 或者自定义解析器合约。

负责将域名映射为对应用户设置的内容(包括币种地址,ipfs 内容 hash,通用 text 记录等等)。

比如通过 metamask 转账输入 ens 域名,会解析成对应的 ETH 币种地址的过程是如何解析的呢?

首先 metamask 会通过注册表合约获取域名 node 设置的解析器地址(默认的公共解析器,也可以是用户自定义的解析器合约地址),然后与该解析器地址交互,获取用户设置的 eth 的币种地址(官网注册默认会设置成注册者,注册者后续可自由更改)进行转账操作。

反向解析

ENS 默认反向解析器合约 DefaultReverseResolver.sol

负责将用户钱包地址映射为对应的域名

反向解析实际上是对用户不透明的,用户也无法像正向解析器合约那样可以自定义。用户也可以通过反向注册器(ReverseRegistrar.sol)的 setName 方法设置当前钱包地址要绑定的域名,反向记录同样在 ENS 注册表合约维护,用户注册的反向记录在三级域名记录中,格式为:具体用户地址 .addr.reverse。

设置反向解析之后,opensea 用户界面会将用户钱包地址展示为可读的 ENS 域名,则是反向解析的过程解析器结构以及 node 对应的注册表信息。

  • 根域名的 owner 是根域名
  • .eth 一级域名的 owner 是正向注册器也就是(BaseRegistrarImplement.sol)
  • 用户注册的二级、三级域名的 owner 是用户本身,同时可以自由设置解析器合约地址
  • .reserve 一级域名 owner 是 ENS 的多签钱包地址
  • .addr.reserve 二级域名 owner 是反向注册器,ens 当前主网版本控制器合约注册的时候默认通过反向注册器(ReverseRegistrar.sol)设置反向解析记录(比如具体用户地址 .addr.reverse  指向 axtrur.eth),用户无需提供 gas 之外的反向注册费。
  • 用户注册域名的反向三级域名的 owner 都默认指向反向注册器合约,同时 resolver 默认指向反向解析器合约

上面我们已经把 ENS 域名合约设计以及主要的模块梳理完了,ENS 在设计上比如模块拆分,权限拆分方面都是值得我们借鉴的,但是目前主网上的 ENS 也存在一些问题。

ENS 存在问题与解决

1. 零宽问题:这是 ENS 目前比较麻烦的问题,因为合约设计之初并没有限制零宽字符, 比如可以官网注册某个域名的时候,如果该域名已被注册,此时用 

https://unicode-table.com/en/200B/  拷贝对应某种零宽字符串插入到要注册的域名中间某个位置,则可以注册对应的域名了。

关于零宽问题解释 :

https://mirror.xyz/0xc952fE149b640097054CFa53cAf7aC2bfd0162C5/RW6psQ2mnxyzmQx08PUXgLXOZc0kjvfXm8RGRVu8s0Y

2. 特殊字符:ENS 合约并没有限制.,emoji 表情等特殊字符过滤,以致于目前交易市场存在太多冗杂非规范的域名。图片

目前 EN S 官网已经对特殊字符进行过滤,并给予必要的警告提示(但是合约本身并没有限制,所以科学家一样可以通过合约进行注册)。图片

3. transfer 问题:ENS 目前有个比较麻烦的问题就是域名 NFT 在转移的时候,owner 没有同步转移,所以当你在交易市场买了一个 ENS 域名 NFT 的时候,你需要通过基础注册器合约的 reclaim 接口,消耗一定的 gas 费声明 NFT 所有权后,才能到 ens 官网上看到自己拥有的域名。

4. tokenURI 问题:ENS 的基础注册器合约并没有即成 ERC721 标准的 tokenURI,可能是设计之初没有考虑好,所以目前我们在交易市场比如 opensea 上的 ENS 的 NFT 的 metadata,是交易市场特殊对 ENS 即成了 ENS 中心化的 metaservice 的 API,比如

https://metadata.ens.domains/mainnet/0x57f1887a8bf19b14fc0df6fd9b2acc9af147ea85/92165218023603606815515740961699344403389102980529428548045197994533319339809

5. 保留字:这是我觉得 .bit 这方面做得比较好的方面,.bit 官方会把 Web2 世界中的机构或公司名称保留下来,便于后续 Web2 与 Web3 之间的连接

https://github.com/dotbitHQ/Documents/blob/main/Reserved_DAS/Reserved_DAS_List.md

这对于 Web3 域名生态发展是有意义的。

6. 基础合约可升级,ENS 目前对于基础模块并没有采用代理模式支持合约可升级,这样当未来需要对基础模块升级的时候是比较麻烦的,一种是 fallback 一种是迁移数据,但这都只能解决部分问题,这个方面 ENS 是有改善空间的。

如何解决上述问题?

1. 字符问题,我们可以在控制器合约的 valid 函数修改逻辑

  • 限制零宽等特殊字符比如 spaceidhttps://github.com/Space-ID/SpaceIDContract-Audit/blob/main/contracts/bnbregistrar/BNBRegistrarControllerV9.sol#L88
  • 只允许符合规范的字符

2. transfer 问题:我们可以在基础注册器里复写 transferFrom 和 saveTransferFrom 函数,在转移 nft 的同时调用 setSubnodeOwner 转移 owner。

3. tokenURI 问题:这个比较简单我们只要继承 ECR721 的 tokenURI 标准呢就可以了,那怎么实现在图片中动态的域名的展示呢?我们可以采用 svg 上链(可以看文章后面改造后的合约代码的 TokenURIBuilder.sol)。

4. 保留字问题:可以将保留字以及对应要保留的钱包地址上链,先保留给合约本身,后面可以通过 apply 接口申请给某个特定地址。

基础合约可升级:我们可以采用代理模式 (eip-1967) 对基础模块合约进行改造,感兴趣可以参考 lens-protocol 的合约设计

https://github.com/lens-protocol/core/tree/main/contracts

ENS 的 DNS 模块

ENS 的 DNS 能力并不是我们说的 Web2 域名系统比如 .com 可以实现在浏览器里访问域名来访问你的 ens 域名,ENS 的 dns 注册实际上只是基于 DN S 安全扩展,通过相关的证明,校验算法证明你对于该 Web2 的域名的所有权,然后在链上做一个(Web2 域名到钱包地址)的记录,使得我们可以用 Web2 域名进行链上转账。详见

https://ensuser.com/docs/dns-registrar-guide.html

但是本文为什么我们没有详细讲 ENS 的 DNS 模块呢?是因为 ENS 虽然花了大部分精力在实现 DNS,但是这个功能放在 ENS 比较鸡肋,用的人很少。其实这实际上是一个 did 聚合的范畴,类似的能力个人觉得更适合放到聚合 DID 中去实现,比如像 mask network 的 nextid,cloak network 的 zkid。可以把 proof 做好,向即成 twitter 等 Web2 的 handler 一 样,去集成 Web2 域名。

部署自己的 Web3 域名

本文最后给大家提供一个改造后的 ENS 域名合约版本 ( https://github.com/axtrur/xens-contracts  改造内容以及部署方式详见 readme),方便大家自行部署自己的 Web3 域名,深入理解 Web3 域名系统的设计原理 

部署 goerli 测试网命令

OWNER_KEY={{account private key}} INFURA_ID=c03713652e3c4ef6a3c09ea7dbf58711 npx hardhat deploy –network goerli (INFURA_ID 可以替换成自己的 infuraid,执行前删除 deployment/goerli 文件夹以及 deployment/goerli_result.json)

部署测试网 goerli 后,执行注册脚本 ens.js 注册域名

OWNKEY={{account private key}} INFURA=https://goerli.infura.io/v3/c03713652e3c4ef6a3c09ea7dbf58711  node ens.js

就可以到 opensea 测试网查看已经部署的 nft 了,比如我部署的 .buidlerdao 后缀的域名

https://testnets.opensea.io/collection/buildlerdao-name-service

总结

ENS 域名作为 Web3 域名的先行者,在设计上有很多值得借鉴的地方,我们看到的 .bnb,.nft 也都是基于 ens 合约基础上搭建的。希望通过本文大家对 ENS 的设计从整体到细节有个深入的深入,Web3 域名不仅仅是一个 NFT,他有着更深远的意义。同时 Web 域名只是一个很小的开始,相信随之普及、生态集成以及大家对 did 的探索,原生链上的可读的 Web3 域名将会被聚合起来,使得每个用户在加密世界里都有个统一的名片描述,更好地去连接多链生态,连接用户。

ENS 域名系统相关 EIP 标准

  • EIP 137 – 注册表 https://eips.ethereum.org/EIPS/eip-137
  • EIP 181 – 反向注册器 https://eips.ethereum.org/EIPS/eip-181
  • EIP 205 – ABI 解析 (ABI()).
  • EIP 619 – SECP256k1 公钥解析 (pubkey()).
  • EIP 634 – 文本记录解析 (text()).
  • EIP 1577 – 内容 hash 解析 (contenthash()).
  • EIP 2304 – 多代币地址解析 (addr()). 新的记录类型可以随时通过 EIP 标准化程序进行定义

主网部署的 ENS 合约

  • 注册表合约:0x00000000000c2e074ec69a0dfb2997ba6c7d2e1e
  • 根合约:0xab528d626ec275e3fad363ff1393a41f581c5897
  • 基础正向注册器合约:0x57f1887a8BF19b14fC0dF6Fd9B2acc9Af147eA85
  • 反向注册器合约:0x084b1c3c81545d370f3634392de611caabff8148
  • 默认正向解析器合约:0x4976fb03c32e5b8cfe2b6ccb31c09ba78ebaba41
  • 默认反向解析器合约:0xa2c122be93b0074270ebee7f6b7292c7deb45047
  • 控制器合约:0x283Af0B28c62C092C9727F1Ee09c02CA627EB7F5

ENS 域名资料

  • 官网: https://app.ens.domains/
  • github: https://github.com/ensdomains
  • 合约代码:https://github.com/ensdomains/ens-contracts/tree/master/contracts
  • 线网部署版本:https://etherscan.io/accounts/label/ens
  • 文档:https://ensuser.com/docs/contract-api-reference/ens-contracts-overview.html
  • 交易市场:https://opensea.io/collection/ens

其他 Web3 域名系统资料

  • .bnb

官网: 

https://space.id/

github: 

https://github.com/Space-ID

交易市场:

https://www.element.market/collections/space-id-bnb

  • .bit

官网:

https://www.did.id/

github:

https://github.com/dotbitHQ

交易市场:

https://opensea.io/collection/dotbit

  • .nft

官网:

https://nft.space/

交易市场:

https://www.element.market/collections/nft-name-service

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