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比特池塘 区块链技术 正文
如果你还在被HD钱包、BIP32、BIP44、BIP39搞的一头雾水,来看看这边文章吧。* L+ r; S- w3 L2 e' Z
数字钱包概念0 W7 o# A0 L0 i" ~
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)。4 d- Z1 }& A4 z: p' V
私钥和地址的关系如下:
1 W3 t% H" ]* `5 Q& s# p(图来自精通比特币)
9 _: f0 Y# d* 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。
5 }$ I' ]& H, S9 z+ Z/ B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。
2 p+ X0 u/ V0 F. R+ P: I8 j7 ~$ I如何创建账号. m1 Q7 V3 J$ d/ A- a4 J; `
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9 @6 C" E5 ?8 o6 a
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。1 x9 u3 N2 x, l6 B2 r% q0 E6 d$ m$ Z7 X
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。% `+ s& W9 x: a/ f. @; P; a
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。- P# e, ]( c- z
, i+ ?, \4 D) t% J$ v6 F/ e& q  p
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。
* d. z* j( Z5 v. K7 w

5 b" v0 f) G1 `& J1 G- ?6 ABIP324 Z% k- H% o0 Z6 x; A9 K
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。
' c- F! l- T. G$ s2 s
3 N# N; Q. a3 m+ y' ]# i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)“2 B% ]' l0 S9 ^& s" H- P

: c+ P5 w3 B" S; D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:
: C4 c' h& R+ J5 N6 u; p
( b! k) C: Z. |1 }(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 @# T1 z: `1 C% Z( n6 {
3 h, X. E- b% k4 ?, B  A
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。
, e5 e; x; I% ZBIP32提案的名字是:Hierarchical Deterministic Wallets, 就是我们所说的HD钱包。
6 s5 I' J$ c  N8 I4 w
  |" i$ @$ s+ A
来分析下这个分层推导的过程,第一步推导主秘钥的过程:' s- s: b4 V" i8 F
: h# c( P* H5 y0 u# Z" J9 \
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:7 D/ p& N9 f% P2 @7 ?

/ F. W* A  |4 [1 R, k/ |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。
( N3 g7 A6 x) _) }5 c. Y
5 Z) f$ u  H' T1 T; k6 z) s
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。
" P- \7 C9 M1 C- \( w# j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。8 _0 \$ Y$ r% d. a! h8 \
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。
9 E- n* c$ a4 F* k秘钥路径及BIP44% P% O$ @# V9 @( e% l0 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。& d$ ]6 g+ ~  }3 W/ u4 ^, ^: a
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:( s: R  c, E) d$ x
m / purpose' / coin' / account' / change / address_index
1 p1 g( R) \4 T1 Z' Q+ u* @m是固定的, Purpose也是固定的,值为44(或者 0x8000002C)
1 K: ?: d+ |1 k; S. V3 G# MCoin type, o& E1 n  ^" r, D
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/ d8 h0 x9 d+ i9 y  W
完整的币种列表地址:https://github.com/satoshilabs/slips/blob/master/slip-0044.md
% F+ _0 ~" u) v% y5 e/ y8 qAccount; Y0 L8 H$ s5 _" e; a
代表这个币的账户索引,从0开始7 u4 c. H4 R* @( Z
Change
- e5 y" n8 \$ A6 I3 v+ e+ L; s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)
2 q3 p2 B/ {- S; O0 N1 oaddress_index
- |4 d2 n/ r# f' g/ f5 S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
3 g( C! b5 X. u6 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 % y- Q% o# ]( l- K+ M  ^
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。* p5 V7 K1 B( U0 D5 V
一句话概括下BIP44就是:给BIP32的分层路径定义规范
( D% k2 `8 s  M. R3 `! [# D* G+ sBIP39
9 m3 Z! T! M/ }% w) l. }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。. F8 e9 h) B6 c* T; u' K
可以简单的做一个对比,下面那一种备份起来更友好:
) |) f$ R' Z2 f& v# w9 m/ }// 随机数种子6 K6 Y# y* K. u" y0 s
090ABCB3A6e1400e9345bC60c78a8BE7  & l( V7 x3 h% t" [5 m1 X+ J$ d  Y8 O
// 助记词种子
. u6 k2 X1 G5 g/ Wcandy maple cake sugar pudding cream honey rich smooth crumble sweet treat
! n. \5 I% J- r. ^. G8 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。
# g# Q$ w, I4 @; [3 j: d7 j4 D' h生成助记词1 o. _, p6 T! z0 f( s
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:; D. R3 G: d$ e( [5 W6 l

# B* A  c5 q' G& O8 ?8 y(图来源于网络)
  ~* I* h9 I' Y' j4 f下面是使用bip39生成生成助记词的一段代码:9 m+ R2 A8 j1 t% C
var bip39 = require('bip39')$ k+ E" s8 I, [* P
// 生成助记词( W* Y7 ]( x" @/ h
var mnemonic = bip39.generateMnemonic()# Y8 L  T5 o% \, F
console.log(mnemonic)
3 e- l' w4 }5 S3 s/ ^% F助记词推导出种子1 c2 J. w8 Q7 v% k+ I
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。
! G$ D0 |. @) S+ F. 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。6 b4 B! Y8 ]* f$ B
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:
, m' D4 @2 w: _6 U, w, |9 e# O  D- P4 Z/ v2 r: {9 k+ r
(图来源于网络)3 r+ Z( b- i* |2 H9 |
同样代码来表示一下:
3 ~+ E1 e4 c  G5 ?+ |: F! x  Svar hdkey = require('ethereumjs-wallet/hdkey'); t: L6 T( {( W; T+ w+ O
var util = require('ethereumjs-util')
. }  Q/ c$ _3 B' R; wvar seed = bip39.mnemonicToSeed(mnemonic, "pwd");  D: F$ w5 L2 c+ t& f
var hdWallet = hdkey.fromMasterSeed(seed);
/ U( c  m; J) O* w4 e# nvar key1 = hdWallet.derivePath("m/44'/60'/0'/0/0");4 k# x+ }0 @: |& g. r' F( S8 I' u
console.log("私钥:"+util.bufferToHex(key1._hdkey._privateKey));
. V* W7 l7 M# ^3 C( C* a" i# wvar address1 = util.pubToAddress(key1._hdkey._publicKey, true);
# o3 ~, V: H* U  g+ nconsole.log("地址:"+util.bufferToHex(address1));
$ [0 ?! ~; D8 \. z! T- Wconsole.log("校验和地址:"+ util.toChecksumAddress(address1.toString('hex')));  b2 p8 {2 L# n$ I+ I+ M8 z
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 r' Y7 L) c1 [  H2 {4 s
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。
+ z! d9 b1 k& F( N8 b. A2 x& p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1 e' \: ]# D9 u0 S# d
我为大家录制了一个视频:以太坊去中心化网页钱包开发,从如何创建账号开始,深入探索BIP32、BIP44、BIP39等提案,以及如何存储私钥、发送离线签名交易和Token。' t1 {: u6 {1 N+ R: {
小结
. B8 n3 `4 D8 v8 N$ X/ yHD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。
) K! {- s( }$ p+ M+ d7 j$ V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。
+ H) S+ d! B' y* PBIP39则通过定义助记词让种子的备份更友好。
1 {) z; j7 r. j3 }- m( |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。7 _! j; r8 D- H6 [
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