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比特池塘 区块链技术 正文
数字钱包概念
, M5 b5 d- O/ Z! H. r6 y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)。! \) D" f9 K& G4 I" B4 j- N
* L6 E8 U' p1 I& C3 a- G: F
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。
- U6 F; ?9 R/ q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。+ n8 s# d! ?9 T4 `
如何创建账号
0 ?: H6 v; e4 s0 f# [# Q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。
( `5 f/ F8 E( V. r4 W& O% R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。
$ j& p1 v* X8 u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. X5 {4 d" x
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。3 z2 ?& L5 D3 E. X# d' r
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。3 T* t- m* F) L% t  @
BIP32
4 U* I, O- g9 p% ~8 D# v. c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。8 ]) r8 Q7 M8 z/ M+ ~' {
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)“
3 {2 |$ l8 _+ o2 L0 W+ _4 }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:
' k. ^$ y% d& |7 ^" y: K/ h5 a0 l+ W- V8 ~9 o: y2 s" N
(图来自精通比特币)上图中的孙秘钥就可以用来签发交易。/ v1 M5 }& @1 K: Y/ o0 [
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。3 ?3 N# X' G; o: E1 w  r( U
BIP32提案的名字是:Hierarchical Deterministic Wallets, 就是我们所说的HD钱包。
" l. T- a' Y) S* S' X. `$ y来分析下这个分层推导的过程,第一步推导主秘钥的过程:3 s1 E/ b) m+ y3 ~2 i' e

/ Q% n9 n0 J3 J6 B9 g! j' ?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:
, ]- j) C2 E! O" ?# C1 p) S1 s# b+ E# Q
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。
9 E: X. [/ ~0 M2 b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。
( F0 K3 l, ]" A  ~! G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。  y9 l; m9 z3 ]; ^9 e8 F+ L# v3 l% g
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。
5 {4 \; D5 W- U. }- @' }秘钥路径及BIP44
  t; S+ B" {& A: ^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。
& m* e" a' S, {7 Y" {1 O/ ^BIP44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:% r& ^* g$ W( U: E' U0 O. b8 h
m / purpose' / coin' / account' / change / address_index
, O  h1 Y  H" r7 |' Y  ]m是固定的, Purpose也是固定的,值为44(或者 0x8000002C)7 k: d& }* o' I4 B$ h
Coin type3 N0 I. u0 K# U' r. D# z
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
; i. }: z0 d3 B完整的币种列表地址:https://github.com/satoshilabs/slips/blob/master/slip-0044.md3 E1 [( P6 p: g9 Z
Account
( }0 l7 v) l  _! x* k# R# ]; d2 G9 ^代表这个币的账户索引,从0开始
' q( r7 R  L  bChange
5 U" b7 ~( [+ N8 X  C3 {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)
1 a  |" X3 ^: N. o% N- F! {4 a9 }address_index  a! R+ s5 k9 m0 i' }
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
$ s' T, U  ~# R, @5 D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# K$ o3 n: `: w2 A( V1 K
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。
9 R# G6 t" x6 N4 M5 N一句话概括下BIP44就是:给BIP32的分层路径定义规范  S. j: |4 X) t+ ^. U* R  H  i
BIP39
; A) y1 L* e* y. h3 x5 h. gBIP32 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。2 t2 |2 l  Q2 Y1 X% i, ~
可以简单的做一个对比,下面那一种备份起来更友好:
; q4 y4 W, S$ f+ p// 随机数种子0 q, S: o) i1 [
090ABCB3A6e1400e9345bC60c78a8BE7  
/ l/ ?4 m6 T, D: F" r// 助记词种子
! H' l, ?1 F$ ^! W5 M4 tcandy maple cake sugar pudding cream honey rich smooth crumble sweet treat
- y$ b( R* D# [" Z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。
) q' t! e) B$ }# ~, q, X) K生成助记词
" |9 C5 R' r( h) W  C6 O  c$ }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:' ?) f1 T* x; F$ ^3 g& ^

4 j4 Q& p0 _% [(图来源于网络)
* k, ?+ S7 d& I  d8 ^  i下面是使用bip39生成生成助记词的一段代码:
- e$ P, I$ _. e& T: h, b' j* p$ T/ \var bip39 = require('bip39')
  V" b; J7 R% g# x3 t// 生成助记词
, k% n- Q; q, |5 k0 B* dvar mnemonic = bip39.generateMnemonic(): g  V9 ^' n) {5 k& g& x; c
console.log(mnemonic)7 J# @) s' o) G- _: F
助记词推导出种子
% i/ ^+ n2 _% U2 f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。
+ e" W/ K$ d8 J$ g$ M4 ZPBKDF2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。
! Y) \9 n: V/ _/ }1 L( u0 @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:7 C, U# t) f6 C; S
0 J+ u; L" \, X4 R& d. D, C
同样代码来表示一下:( H! b9 a/ G/ z4 w) @1 G
var hdkey = require('ethereumjs-wallet/hdkey')' m1 E  j0 V% \3 q3 a
var util = require('ethereumjs-util')4 k. G, n5 `+ W7 }) b3 H
var seed = bip39.mnemonicToSeed(mnemonic, "pwd");: `3 ~& ?; _, d$ B. i4 f
var hdWallet = hdkey.fromMasterSeed(seed);4 P* ^1 ~  n: W. v
var key1 = hdWallet.derivePath("m/44'/60'/0'/0/0");
1 i$ U6 ?7 ?$ ?* jconsole.log("私钥:"+util.bufferToHex(key1._hdkey._privateKey));: G) v! y3 a' w# m" G- o1 |7 @
var address1 = util.pubToAddress(key1._hdkey._publicKey, true);
0 f& V, q7 m! I9 U( aconsole.log("地址:"+util.bufferToHex(address1));
' ^; b$ Q/ c. x+ k9 T6 d7 Yconsole.log("校验和地址:"+ util.toChecksumAddress(address1.toString('hex')));3 {" u4 A  K; o7 U$ K9 V
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。/ `2 @1 j# b- n) \  a; d/ h
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。
8 d, _, l% C- Z$ T/ b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
! a! q- m! H1 o' M' W  [/ Y小结
2 |( v; v& Z# sHD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。
) f" O7 ]6 F0 n5 R, c$ z* S5 A2 ^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。& U  L, j& J4 O7 x# l7 ?' J$ o9 p6 E  k
BIP39则通过定义助记词让种子的备份更友好。
0 n9 {0 ~1 ]1 e0 X* T% T* z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。
) P: Z6 u  y0 u+ j最后推荐一个助记词秘钥生成器网站
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