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比特池塘 区块链技术 正文
数字钱包概念
) G3 l- `0 H) e8 a  G$ q1 x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)。3 p5 Q! w" i' J9 |7 y/ t! I0 T
/ `5 [8 D- i% W; ~4 a2 Z& K
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。0 E! E9 i; ^# J7 L3 b' J9 Y
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。
, n% ~, ^2 h" B/ }如何创建账号) u! t, w0 x- r# A9 H) |" u
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。
4 E8 y3 f+ n7 \# _7 }. m) U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。
& r4 X4 B/ ^9 r  }; g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。7 |8 N/ t" t! `
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。
" _1 C. G. }1 L. m1 Y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。
. {. U7 G4 g! a8 u& _+ b) c( BBIP32+ U( \0 N2 I* r$ x
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。
$ P8 P4 q3 }* ^) F* I2 V7 q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)“
. k5 u2 W% w. Y9 [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:+ X  C9 n+ Z7 u  q: |1 i- w
) ~! f$ P3 o5 n5 T3 D* c
(图来自精通比特币)上图中的孙秘钥就可以用来签发交易。6 v; ~$ s0 m" x( Q+ E/ x/ _
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。
9 I. R8 L: K( P: Q) OBIP32提案的名字是:Hierarchical Deterministic Wallets, 就是我们所说的HD钱包。
' D* k( u( D8 Y3 E9 u: N8 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:. Y, I' m# ~3 G- t; s

* I2 \/ y" O3 J. R+ 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:& N- S$ Q, A8 x8 t+ D2 e* k
! v8 y4 D4 P. h8 d4 z5 {
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。
* r; s: `0 y, c. D" j/ ?  H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。( s& j( f9 N6 A. ]
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。
" n7 ]& v, A' N2 Z. Q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。
: M  S8 j/ a9 x- r# l& s秘钥路径及BIP446 S3 H3 p- l' L
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。- P5 Z; A( f& N' H
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:. e. o3 ^9 L& [4 Y
m / purpose' / coin' / account' / change / address_index: N0 F6 }! o0 E) G6 d6 c
m是固定的, Purpose也是固定的,值为44(或者 0x8000002C); Q" e" F6 m/ Z2 h
Coin type# d' o8 N, Y7 B0 E
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
7 G+ G3 @1 s8 a9 c9 R完整的币种列表地址:https://github.com/satoshilabs/slips/blob/master/slip-0044.md* J3 v( [* q: |' g
Account
) r4 {( m% I2 p代表这个币的账户索引,从0开始+ _3 p( I1 N2 G- z& L6 o
Change5 I2 K3 ~# }% r5 }2 H. f
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)7 q" Z  Q; T( c5 Q) z) Q% b1 p+ G
address_index# q' j0 T0 q9 _) x/ i3 ^
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
% c* G( e4 t6 Z3 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
# O, x3 O% k2 u$ N3 S# }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。
" Q$ L& Q1 A& ^. Q  u& Y一句话概括下BIP44就是:给BIP32的分层路径定义规范
( U& R; u$ G3 c( B1 `( q% o; yBIP39
9 D+ R, G+ }2 l+ R) I+ L- c' ZBIP32 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。5 k6 x. X6 k0 \1 p+ L6 a
可以简单的做一个对比,下面那一种备份起来更友好:7 g0 h+ h% S: J: T4 B, n
// 随机数种子
5 o$ W& f$ ?3 g9 [* Z090ABCB3A6e1400e9345bC60c78a8BE7  - e$ W- k0 a; ]7 ~) J. k: G  w
// 助记词种子
+ W" P  ]5 c, p+ h0 _3 v7 U$ Lcandy maple cake sugar pudding cream honey rich smooth crumble sweet treat5 F. C$ |2 @  w
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。
' ~/ a2 @4 E! z7 ?生成助记词% ~# r: |$ u) |
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:
! M! q2 O- E5 `# `
: C- x  _) a; a- [$ t: U) B(图来源于网络)
. p, o- M0 q' Y9 W3 p/ @( E下面是使用bip39生成生成助记词的一段代码:4 w: n0 B( [0 E2 U, W
var bip39 = require('bip39')
, O. T: O4 ?+ H% a7 |// 生成助记词8 a9 Q3 @) b* e6 a: U7 x- z3 q. R% I
var mnemonic = bip39.generateMnemonic()
) l% x& K* B* _: y/ A9 Kconsole.log(mnemonic)
: E" E& D  D  U9 N% b助记词推导出种子
. w7 D2 y" z4 j$ P: }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。1 }: q7 `0 \" b) t& H  f1 c# c$ y
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。
3 g! D8 {9 A( T3 {/ u3 A5 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:
# U2 y0 C+ A" N$ B& \3 F
, _# I, A1 {0 ~3 \6 C; w同样代码来表示一下:" T8 K. P4 a4 D( ]( _& L8 {1 i
var hdkey = require('ethereumjs-wallet/hdkey')% U3 V; s5 Y$ |; C
var util = require('ethereumjs-util')" L+ F4 u/ O( {! R2 E* T. I
var seed = bip39.mnemonicToSeed(mnemonic, "pwd");
  [% c% U4 N# ?) A$ K; Mvar hdWallet = hdkey.fromMasterSeed(seed);
- x' y7 \+ G. o1 J3 Evar key1 = hdWallet.derivePath("m/44'/60'/0'/0/0");
; F0 i  C. R) M$ qconsole.log("私钥:"+util.bufferToHex(key1._hdkey._privateKey));
) M7 ~) N# G" D. l* vvar address1 = util.pubToAddress(key1._hdkey._publicKey, true);
9 C+ i$ [5 l8 W1 Gconsole.log("地址:"+util.bufferToHex(address1));2 f2 X  ]" F, p- D* R  m$ y5 s6 v
console.log("校验和地址:"+ util.toChecksumAddress(address1.toString('hex')));  t  \4 Z; \# N+ o% N1 e* ?$ G
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。" Q0 o( f. H  |* `) W% T  [7 z
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。
/ S9 M1 c4 V. s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9 [4 y$ ~- o4 O
小结* x+ Z0 L/ g2 S! O2 P5 t. w' A
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 s& k9 v0 Y# Q9 W# M' W" ]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。0 {' Z6 U& h- x( J; }  Y. n9 a
BIP39则通过定义助记词让种子的备份更友好。* `- u3 D+ v- [) M( @+ N0 s
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。3 e( x) o  n% S, }
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