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比特池塘 区块链技术 正文
数字钱包概念
% N8 F( F9 a7 m) v# q) ^0 D& ^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)。" y- Y$ M0 N+ U  Y' M& B
, ?; m8 V$ f- k% e( g' q
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。
3 h5 D. R3 R) X5 Y0 _9 h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。# v& s% H# u1 w( y3 X
如何创建账号- x, W- P; B4 |2 H6 _6 e
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。
, {; R- ?3 j0 \" w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。7 o7 L9 |& D  h5 j
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。
0 i5 Y, {: q$ R8 i, {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。5 M+ ^( C8 E  D3 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。
. A- g- Y+ A7 d/ T- W3 ^2 {BIP32
, R: S& s) f2 L7 w* y4 [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。/ d/ e* x6 W: J9 Z6 c, G
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)“  h7 q# Z; d) G5 m/ U9 K
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:
: A0 _; w' G! h3 q4 t( \2 @- {" i
2 h5 Z# U, U& C' g(图来自精通比特币)上图中的孙秘钥就可以用来签发交易。
$ b3 j# g3 x7 j. H5 V/ `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。7 }8 j7 K' u+ X$ Q
BIP32提案的名字是:Hierarchical Deterministic Wallets, 就是我们所说的HD钱包。0 y! D% f( M2 T5 B/ B: S
来分析下这个分层推导的过程,第一步推导主秘钥的过程:5 p+ w2 {, ?( X* z  M0 G6 }6 c0 i

/ ?3 Z/ r1 c, }& t. R% B7 y# K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:1 V# E- o8 l: h+ K. q# I5 z. z
6 R1 l! H0 z' v* b
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。6 x  Q' h5 V- Z. m
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。
9 e* h0 `  O/ p( X8 ?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。0 P' [" I( W. y, r
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。. B2 c+ [# L/ o8 n, e. [' y/ u
秘钥路径及BIP44
6 q3 R7 y- D8 X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。
- e: p# E7 M$ ^$ i9 V: t  I/ w1 eBIP44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:2 `4 o- d2 U# m1 _" O
m / purpose' / coin' / account' / change / address_index
1 `3 m/ D* k7 R% f1 W% [m是固定的, Purpose也是固定的,值为44(或者 0x8000002C)
" Q- L4 `; ~7 `  w5 z. B! \Coin type' A% d7 h5 C& l4 j0 N
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
' L. a. q- O* l完整的币种列表地址:https://github.com/satoshilabs/slips/blob/master/slip-0044.md
: T+ M* S% J# y4 PAccount: @' k: d' x3 \8 c( @
代表这个币的账户索引,从0开始% c3 M: j7 o8 p4 V' i
Change
* ^& \4 _+ H5 M& i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)
+ u, Q8 l" a& Naddress_index) m% i3 K. K4 |! I& t
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* |4 o; T9 q* a3 e
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) Y# [# F! ]& D, o) U# l
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。$ s( w2 W% B$ z7 s
一句话概括下BIP44就是:给BIP32的分层路径定义规范
) N$ k, B; F" b; s8 wBIP39
' d- n1 Z& p5 L* ABIP32 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。
% G8 f% x3 b5 U( s: H$ d可以简单的做一个对比,下面那一种备份起来更友好:  g7 K0 W/ R% ]2 u. O" \  _4 d! ^
// 随机数种子4 k4 Y+ T2 @9 i( H# N
090ABCB3A6e1400e9345bC60c78a8BE7  9 C( y5 f) u( z. @. ]
// 助记词种子
$ }+ F0 B, j% p& p' i% d  D0 C) gcandy maple cake sugar pudding cream honey rich smooth crumble sweet treat/ G6 f! q8 m; r: k5 O
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。1 M5 J0 G! H5 B1 j. C
生成助记词
8 |8 k$ C; v5 {- V4 O- a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:
" N) u* w6 N$ P
1 V' J. P7 I. |+ u# M  U(图来源于网络)9 s- a2 Y( O' T( o# ?, A& \
下面是使用bip39生成生成助记词的一段代码:5 ?' h. m! `, k/ R& A" L2 m1 `5 j
var bip39 = require('bip39')/ S) L4 H' r/ s
// 生成助记词  ~; j8 P0 O/ ~' E8 V& p
var mnemonic = bip39.generateMnemonic(); U) k# q, m, ]: u  W* ?2 N
console.log(mnemonic)
& u  ^: Y: U* E+ n, N  w助记词推导出种子3 e9 {8 I6 W( i( A4 G& F( E
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。& C7 K* k8 Z: e* a
PBKDF2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。
' f) @' I1 q$ U8 E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:
0 P0 J! |9 g& H* \; l: X: X' N& Q% x9 Q$ n
同样代码来表示一下:
4 g" l- e$ B; Jvar hdkey = require('ethereumjs-wallet/hdkey')
; b" o6 U8 X: Pvar util = require('ethereumjs-util')+ P8 n5 |$ h5 V
var seed = bip39.mnemonicToSeed(mnemonic, "pwd");
) k/ k' `- o: k, }% m6 y( Lvar hdWallet = hdkey.fromMasterSeed(seed);
( P; i! j5 }% l1 f" nvar key1 = hdWallet.derivePath("m/44'/60'/0'/0/0");
6 t7 R3 B, f/ R4 K; {, ~console.log("私钥:"+util.bufferToHex(key1._hdkey._privateKey));
- p2 E0 p% c1 i# V/ t- `6 c1 V; Tvar address1 = util.pubToAddress(key1._hdkey._publicKey, true);  o1 B; P/ f; T3 |. r8 k) a
console.log("地址:"+util.bufferToHex(address1));
, y, U, z7 e) I2 nconsole.log("校验和地址:"+ util.toChecksumAddress(address1.toString('hex')));2 Z3 o! f: X+ a. w/ i# n
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。$ N* }# F2 i2 u+ V
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。
9 t+ `# ~+ Z0 J) ^0 p6 m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
' o# m2 c1 e/ O# L  U小结
/ @* |9 a) F& M& M) i- ~( T. ~$ 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。2 R$ F, g$ A4 J: j0 `8 o
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。
+ ?9 {( r! s, J6 Q8 a; TBIP39则通过定义助记词让种子的备份更友好。
, j/ g# I! f, d6 G4 o" 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。
1 R2 f5 t- B9 u最后推荐一个助记词秘钥生成器网站
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