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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。
+ g$ G+ K  G) z/ n' h$ L6 f数字钱包概念1 o# G: R3 U/ n3 [! k& {
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)。
% m  i  O( I* D" N2 P# Q私钥和地址的关系如下:
# I1 W# M+ K1 j. {6 o(图来自精通比特币)
) c1 t) Y; x7 M, T7 `: x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 B0 U0 O3 x! a4 D3 q) n
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。
' s: }( M7 _7 ^9 ^# a$ Y3 V如何创建账号5 {* z/ C2 t8 P# k1 f8 a1 w
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 n2 \: d& c+ w( b# I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。! h/ M/ M" t6 C$ \/ d
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。5 E3 R! E/ W7 p
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。
/ J  k+ D' p3 M/ `5 m/ i8 L8 E+ J( L: F
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。
* J# g1 Z' c7 x$ o# t0 i0 T
8 m* Z/ F, c4 z! w) w
BIP32
! X. c" D' U" V( @6 W9 j4 Y0 m0 h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  o8 `6 e) E6 u$ k" U* Z/ k

) ~( m8 m8 k8 A; a( u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)“  I3 [- l; ]$ A3 _7 c; u' g6 Q

8 m1 _" b4 y/ W3 e& o+ Z# H' r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:3 J# s7 Y5 U0 u
' J7 J& [  m. i$ r0 b4 Y" M
(图来自精通比特币)上图中的孙秘钥就可以用来签发交易。! Y' o2 o( f( ?* C

# |) C& J, h/ ^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。+ Z  J' Q' O5 B3 T
BIP32提案的名字是:Hierarchical Deterministic Wallets, 就是我们所说的HD钱包。
9 a1 r! m7 K  [  E1 g

3 l# H* G$ W# n6 l  @: 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:% Q6 ]) ], a+ Q7 J: s* K4 \
  M8 E3 G7 F' ^. e# j& j1 O
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:
; e7 M2 Z' c& Y2 a* M
( b7 M. N' d' R0 w5 g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。
/ U" p. l/ Q, g) {- ?

: {. p+ H  V$ Q4 T# I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 @' @7 R  ?% G3 K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。
1 Z5 [, c9 R2 I; {$ }+ r$ I' g6 A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。# @' H6 y5 n$ C' q9 s( R
秘钥路径及BIP44
0 H: V' D& G: d; j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。
! A% a- I4 z$ P, A& C& P+ JBIP44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 s9 R; n( f( N# z; w. t2 p
m / purpose' / coin' / account' / change / address_index7 Z0 H& P  M: ~8 n" S1 o
m是固定的, Purpose也是固定的,值为44(或者 0x8000002C)& L4 o5 i1 C. X% o3 ?: C
Coin type
/ S$ ~0 N( W, D7 n: f2 S( 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! E' p8 K2 o- h) b" Z
完整的币种列表地址:https://github.com/satoshilabs/slips/blob/master/slip-0044.md/ x  h& D* I3 \3 |$ k# n# T" H: l
Account) E; N# R6 o% q
代表这个币的账户索引,从0开始
$ G7 a8 g  @/ G# s0 FChange
) g) _+ A! E$ j! i1 b: k1 `* L7 N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 z' s$ g# w5 k' c4 q( i3 }
address_index( F, f: Y# K: H: X: v1 g4 c
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200 q7 q% R3 d  w3 @5 k4 U
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 j5 Q6 l9 Z; W! k. l8 }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。+ p8 q7 Y- P" i0 d- o6 x" ~
一句话概括下BIP44就是:给BIP32的分层路径定义规范- i0 T3 Y3 x0 t. y$ y
BIP39$ Q7 [7 b9 D# Z. V9 d
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。
& ]; D0 `7 ~7 y, p& ?可以简单的做一个对比,下面那一种备份起来更友好:. D4 p0 r; U# b9 _
// 随机数种子% n: n4 W& N8 |( a9 `
090ABCB3A6e1400e9345bC60c78a8BE7  
! V: ^& B8 |- {" H: l+ T3 }# p* c// 助记词种子5 l9 R5 |0 }- q- U, _
candy maple cake sugar pudding cream honey rich smooth crumble sweet treat, a( B2 K" t/ K8 g6 Q) 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。
- d+ f8 g7 w0 M5 s! o, E生成助记词
( V! f+ _9 `6 a. I! S8 s7 X1 Z$ [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:
3 r% B" T" A$ x" q$ T' H9 y: Q* o9 i3 I2 @! K% g
(图来源于网络)' h* f4 ~7 H" Y) b7 t/ _( g/ |
下面是使用bip39生成生成助记词的一段代码:9 U0 r# E1 h$ V& I! U: Z- T0 {% l
var bip39 = require('bip39')
7 ?! Q, S$ {4 k$ f- ]( s// 生成助记词; d7 {. C  H2 o( x
var mnemonic = bip39.generateMnemonic()
3 ^/ \" Q' {1 s; @console.log(mnemonic)1 a4 ~: x1 Q7 h7 ^6 l
助记词推导出种子
' m( j% w1 D, s# c/ w1 p- 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。
; E0 f6 m+ H' APBKDF2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。
& ^8 m5 k' D% a7 O( A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:  P! p; X( [# @) x

. ~2 v5 D+ W9 g; ]8 s/ @(图来源于网络)
8 o( X- L) _; R& O同样代码来表示一下:
) h* `9 D& Z; Z2 V+ X$ Y) k6 j) Z& gvar hdkey = require('ethereumjs-wallet/hdkey')1 z% G  x& x. o4 E4 T4 b
var util = require('ethereumjs-util')/ ~" K: X. }" v* P) R/ M8 x0 S
var seed = bip39.mnemonicToSeed(mnemonic, "pwd");
9 f5 Q, c2 m) G1 `# E/ y2 jvar hdWallet = hdkey.fromMasterSeed(seed);9 [* k$ E3 N0 p# t
var key1 = hdWallet.derivePath("m/44'/60'/0'/0/0");# C/ B. f' h9 a' f0 \
console.log("私钥:"+util.bufferToHex(key1._hdkey._privateKey));+ x. Y3 a) k0 x8 ?
var address1 = util.pubToAddress(key1._hdkey._publicKey, true);9 f: U' A, T& D! O/ |& I
console.log("地址:"+util.bufferToHex(address1));
& X+ F: S; b5 `4 l8 Q: hconsole.log("校验和地址:"+ util.toChecksumAddress(address1.toString('hex')));0 F) u1 Q# J3 ]4 ^" {8 M2 y
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 u$ \2 A' W, J. A  Z9 d! ]
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。* R1 t( y4 }6 h0 ?% \! {" F, O; j) A
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
6 d4 Z; ?5 ~6 h" X+ H; f$ S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。' O- J! i6 |8 k
小结- T: V# @4 {- W! l5 Y/ R
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。2 x" W6 n) Y. L. Y
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。
) o# ^# r# `* V" r: r) ], _# MBIP39则通过定义助记词让种子的备份更友好。; |3 x/ B, D# W
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。
2 _! g1 }  O2 X最后推荐一个助记词秘钥生成器网站+ T' U  u( r  ]( n% j
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