理解开发HD 钱包涉及的 BIP32、BIP44、BIP39

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。

数字钱包概念

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)。
私钥和地址的关系如下:
(图来自精通比特币)
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。

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。

如何创建账号

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
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。

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。

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。

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。

BIP32

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。

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)“

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:


(图来自精通比特币)上图中的孙秘钥就可以用来签发交易。

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。
BIP32提案的名字是:Hierarchical Deterministic Wallets, 就是我们所说的HD钱包。

来分析下这个分层推导的过程,第一步推导主秘钥的过程:

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:

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2^31用于常规衍生,而2^31到2^32-1之间用于强化衍生,为了方便表示索引号i’,表示2^31+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。

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。

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。

秘钥路径及BIP44

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。

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:
m / purpose' / coin' / account' / change / address_index
m是固定的, Purpose也是固定的,值为44(或者 0x8000002C)
Coin type
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
完整的币种列表地址:https://github.com/satoshilabs/slips/blob/master/slip-0044.md
Account
代表这个币的账户索引,从0开始
Change
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)
address_index
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

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
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。

一句话概括下BIP44就是:给BIP32的分层路径定义规范

BIP39

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。

可以简单的做一个对比,下面那一种备份起来更友好:

1
2
3
4
// 随机数种子
090ABCB3A6e1400e9345bC60c78a8BE7
// 助记词种子
candy maple cake sugar pudding cream honey rich smooth crumble sweet treat

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。

生成助记词

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:


(图来源于网络)

助记词推导出种子

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。
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。

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:


(图来源于网络)

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。

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

小结

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。
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。
BIP39则通过定义助记词让种子的备份更友好。

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。

最后推荐一个助记词秘钥生成器网站

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