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比特池塘 区块链技术 正文
数字钱包概念$ Z. t0 k% T9 m9 a8 \/ V' l
钱包用来存钱的,在区块链中,我们的数字资产都会对应到一个账户地址上, 只有拥有账户的钥匙(私钥)才可以对资产进行消费(用私钥对消费交易签名)。
6 ]5 a+ Z' ?! h- |) w- P
+ y9 F7 ^* P8 Y# \1 S一句话概括下就是:私钥通过椭圆曲线生成公钥, 公钥通过哈希函数生成地址,这两个过程都是单向的。$ m8 j/ i( e% Y* k
因此实际上,数字钱包实际是一个管理私钥(生成、存储、签名)的工具,注意钱包并不保存资产,资产是在链上的。- I. i: ?# G  P( G+ X2 w
如何创建账号
0 f& a! u) T4 F3 l5 e; y" `创建账号关键是生成一个私钥, 私钥是一个32个字节的数, 生成一个私钥在本质上在1到2^256之间选一个数字。
* \6 O: \# q- J因此生成密钥的第一步也是最重要的一步,是要找到足够安全的熵源,即随机性来源,只要选取的结果是不可预测或不可重复的,那么选取数字的具体方法并不重要。9 T* m) n8 e1 |% l+ P0 I  M
比如可以掷硬币256次,用纸和笔记录正反面并转换为0和1,随机得到的256位二进制数字可作为钱包的私钥。
( a" M0 }9 k* V, l- Z7 c0 ^7 _从编程的角度来看,一般是通过在一个密码学安全的随机源(不建议大家自己去写一个随机数)中取出一长串随机字节,对其使用SHA256哈希算法进行运算,这样就可以方便地产生一个256位的数字。
2 `: }  U& f" f7 g实际过程需要比较下是否小于n-1(n = 1.158 * 10^77, 略小于2^256),我们就有了一个合适的私钥。否则,我们就用另一个随机数再重复一次。这样得到的私钥就可以根据上面的方法进一步生成公钥及地址。
$ H( r" D5 U$ |0 e: }BIP32
5 a5 w* _, L- D- p4 I& }5 J钱包也是一个私钥的容器,按照上面的方法,我们可以生成一堆私钥(一个人也有很多账号的需求,可以更好保护隐私),而每个私钥都需要备份就特别麻烦的。6 P* {2 Y8 ]4 V
最早期的比特币钱包就是就是这样,还有一个昵称:“Just a Bunch Of Keys(一堆私钥)“
6 \1 b2 j# O. \: b2 P0 t+ y: H为了解决这种麻烦,就有了BIP32 提议: 根据一个随机数种子通过分层确定性推导的方式得到n个私钥,这样保存的时候,只需要保存一个种子就可以,私钥可以推导出来,如图:0 t0 k8 t! X$ ^% c. E$ [
. o5 L- F7 E4 V
(图来自精通比特币)上图中的孙秘钥就可以用来签发交易。1 t) d, g( Y9 U: T) C) y* J
补充说明下 BIP: Bitcoin Improvement Proposals 比特币改进建议, bip32是第32个改进建议。
: {0 h+ K3 e6 e9 BBIP32提案的名字是:Hierarchical Deterministic Wallets, 就是我们所说的HD钱包。, v) [8 ^$ o7 F& T; h: q
来分析下这个分层推导的过程,第一步推导主秘钥的过程:
2 x& |7 Z4 ?8 v4 i  D. x
' V6 w- E$ r% y) g( `, e根种子输入到HMAC-SHA512算法中就可以得到一个可用来创造主私钥(m) 和 一个主链编码( a master chain code)这一步生成的秘钥(由私钥或公钥)及主链编码再加上一个索引号,将作为HMAC-SHA512算法的输入继续衍生出下一层的私钥及链编码,如下图:4 }0 s$ W  {1 f* }  h

' ^2 {) W, K2 @2 x/ ~' P衍生推导的方案其实有两个:一个用父私钥推导(称为强化衍生方程),一个用父公钥推导。同时为了区分这两种不同的衍生,在索引号也进行了区分,索引号小于231用于常规衍生,而231到232-1之间用于强化衍生,为了方便表示索引号i’,表示231+i。
* Q& m& Y! l  [因此增加索引(水平扩展)及 通过子秘钥向下一层(深度扩展)可以无限生成私钥。5 x  B0 i8 i% P* y
注意, 这个推导过程是确定(相同的输入,总是有相同的输出)也是单向的,子密钥不能推导出同层级的兄弟密钥,也不能推出父密钥。如果没有子链码也不能推导出孙密钥。现在我们已经对分层推导有了认识。4 W* Q1 U; i7 [: {; I* V% X
一句话概括下BIP32就是:为了避免管理一堆私钥的麻烦提出的分层推导方案。2 f% S( k& X# C4 y; n
秘钥路径及BIP44
+ B" @) z/ O9 U' z通过这种分层(树状结构)推导出来的秘钥,通常用路径来表示,每个级别之间用斜杠 / 来表示,由主私钥衍生出的私钥起始以“m”打头。因此,第一个母密钥生成的子私钥是m/0。第一个公共钥匙是M/0。第一个子密钥的子密钥就是m/0/1,以此类推。
/ f: s6 d% Z( t1 j/ m8 u$ k1 OBIP44则是为这个路径约定了一个规范的含义(也扩展了对多币种的支持),BIP0044指定了包含5个预定义树状层级的结构:
3 }4 v6 E( C( M! R  W  ^m / purpose' / coin' / account' / change / address_index
4 K8 P' m7 [6 G5 d; D+ u) dm是固定的, Purpose也是固定的,值为44(或者 0x8000002C)
& a* R3 x+ O7 N4 v/ |: M- S% _Coin type
7 Z6 {0 w  D0 w2 O7 u这个代表的是币种,0代表比特币,1代表比特币测试链,60代表以太坊  t) ?7 D7 z3 |$ _/ X$ l7 w* [4 A, B
完整的币种列表地址:https://github.com/satoshilabs/slips/blob/master/slip-0044.md
7 E9 C# u4 [8 H0 L( [6 {- I6 NAccount2 a4 x5 f  \- W5 o6 h% V- ?! ^
代表这个币的账户索引,从0开始% g8 s% z9 K0 i9 g# V
Change6 T- k" k: C# w& I' v2 s) p4 |
常量0用于外部链,常量1用于内部链(也称为更改地址)。外部链用于在钱包外可见的地址(例如,用于接收付款)。内部链用于在钱包外部不可见的地址,用于返回交易变更。 (所以一般使用0)
9 j# q) Q& P  ]address_index0 L8 l) O+ Q+ t/ n' f4 `
这就是地址索引,从0开始,代表生成第几个地址,官方建议,每个account下的address_index不要超过20
# N. a# T  ?0 C0 V$ {根据 EIP85提议的讨论以太坊钱包也遵循BIP44标准,确定路径是m/44’/60’/a’/0/n
6 n( N, t( M  x+ l4 |; w' ]a 表示帐号,n 是第 n 生成的地址,60 是在 SLIP44 提案中确定的以太坊的编码。所以我们要开发以太坊钱包同样需要对比特币的钱包提案BIP32、BIP39有所了解。
# y; D5 @, |9 ]4 ]# h+ c3 `一句话概括下BIP44就是:给BIP32的分层路径定义规范
/ f, I9 _: n, y* }/ w. EBIP39
( [4 t: V) c2 W4 D! @0 ?BIP32 提案可以让我们保存一个随机数种子(通常16进制数表示),而不是一堆秘钥,确实方便一些,不过用户使用起来(比如冷备份)也比较繁琐,这就出现了BIP39,它是使用助记词的方式,生成种子的,这样用户只需要记住12(或24)个单词,单词序列通过 PBKDF2 与 HMAC-SHA512 函数创建出随机种子作为 BIP32 的种子。
/ j1 t+ m( w% U1 I可以简单的做一个对比,下面那一种备份起来更友好:
0 L$ t% |0 M- u3 `0 B/ L// 随机数种子4 F8 K  q  E3 W, X* y, u
090ABCB3A6e1400e9345bC60c78a8BE7  " ?2 C- H# O5 \  H( Z
// 助记词种子7 v# A& m2 i4 ?- \! k4 F
candy maple cake sugar pudding cream honey rich smooth crumble sweet treat& o4 v/ M1 q7 V3 f8 O9 N, a
使用助记词作为种子其实包含2个部分:助记词生成及助记词推导出随机种子,下面分析下这个过程。
! t% p. L9 Q! U! `& \8 y生成助记词* j# @- V# z7 V) t
助记词生成的过程是这样的:先生成一个128位随机数,再加上对随机数做的校验4位,得到132位的一个数,然后按每11位做切分,这样就有了12个二进制数,然后用每个数去查BIP39定义的单词表,这样就得到12个助记词,这个过程图示如下:# W& W0 X7 A& m5 h9 X# S5 |
- h  K1 e/ ~1 p& l: @
(图来源于网络)9 M( d5 A) _% n; Y! b6 Z
下面是使用bip39生成生成助记词的一段代码:
2 |% |. p1 {* L' q( V: H- j- Lvar bip39 = require('bip39')
2 z( @+ ~2 a1 D( m& h/ k// 生成助记词% q6 S: |9 q9 k& B9 O& e
var mnemonic = bip39.generateMnemonic()* H$ ^9 G* x( h& B) G) d: F! Q- `
console.log(mnemonic)9 {$ _, W8 ?+ W  ]- B1 V5 i
助记词推导出种子
# F3 p0 g! Y6 v6 S# L" y这个过程使用密钥拉伸(Key stretching)函数,被用来增强弱密钥的安全性,PBKDF2是常用的密钥拉伸算法中的一种。
0 N  u$ u6 b: _0 S; U5 fPBKDF2基本原理是通过一个为随机函数(例如 HMAC 函数),把助记词明文和盐值作为输入参数,然后重复进行运算最终产生生成一个更长的(512 位)密钥种子。这个种子再构建一个确定性钱包并派生出它的密钥。
$ o# E" ]( y! I7 ?, ]4 U密钥拉伸函数需要两个参数:助记词和盐。盐可以提高暴力破解的难度。 盐由常量字符串 “mnemonic” 及一个可选的密码组成,注意使用不同密码,则拉伸函数在使用同一个助记词的情况下会产生一个不同的种子,这个过程图示图下:
. z! O6 g( w! d
; S& ?3 W5 N/ p/ v& a同样代码来表示一下:
. E9 Z- _& h* [/ A& A  n! bvar hdkey = require('ethereumjs-wallet/hdkey'): R4 j4 ?7 J' N' r! U& ~
var util = require('ethereumjs-util')
8 }* B" g6 l4 s/ N& A. A$ Mvar seed = bip39.mnemonicToSeed(mnemonic, "pwd");1 p9 a: q6 B. C* m( ~, N( J
var hdWallet = hdkey.fromMasterSeed(seed);
4 p8 q) E4 X% h5 D: T4 Y) V$ Vvar key1 = hdWallet.derivePath("m/44'/60'/0'/0/0");( Y. ]! ^3 o4 l) X1 [: I
console.log("私钥:"+util.bufferToHex(key1._hdkey._privateKey));
: ^# v' }$ ?# |var address1 = util.pubToAddress(key1._hdkey._publicKey, true);
# ^0 r0 m' O/ h  d4 T! p" rconsole.log("地址:"+util.bufferToHex(address1));: h) W* A7 R- j3 Q# _
console.log("校验和地址:"+ util.toChecksumAddress(address1.toString('hex')));' a6 [  `- T* I' M
校验和地址是EIP-55中定义的对大小写有要求的一种地址形式。
# @- g- V# b5 b6 [0 i, a, u; U+ `密码可以作为一个额外的安全因子来保护种子,即使助记词的备份被窃取,也可以保证钱包的安全(也要求密码拥有足够的复杂度和长度),不过另外一方面,如果我们忘记密码,那么将无法恢复我们的数字资产。) m% l! j! q# C/ F8 \
一句话概括下BIP39就是:通过定义助记词让种子的备份更友好
) ?) p2 q# W7 Y, Z9 i% K. S小结" s( i0 N8 n+ W
HD钱包(Hierarchical Deterministic Wallets)是在BIP32中提出的为了避免管理一堆私钥的麻烦提出的分层推导方案。6 l% S1 g$ t( {* Y2 c% A& E
而BIP44是给BIP32的分层增强了路径定义规范,同时增加了对多币种的支持。
& S9 _8 f  S' M% u; S1 K9 q% YBIP39则通过定义助记词让种子的备份更友好。5 y" c; D5 l; p* c% a% p
目前我们的市面上单到的以太币、比特币钱包基本都遵循这些标准。6 L+ N; B. r. ^4 F$ o( f* @
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