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  1. BFM BM|位面简梦区块基础

私钥与BIP44

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什么是加密数字资产钱包

在区块链中,我们的数字资产并没有保存在钱包服务商(例如 imToken)的服务器中,而是「保存」在由私钥推导出来的钱包地址中,放置在区块链网络上。只有拥有地址对应的的私钥,才有转移资产的权力。

因此,数字货币钱包实际上就是一个生成和存储私钥的工具,它并不保存资产,资产全部都是在链上的。

创建钱包地址的关键就是随机生成一把私钥,私钥是一个 32 字节的数字。生成私钥的本质就是在 1 到 2^256 之间选一个数字。因此生成私钥的第一步就是找到一个安全的获取真随机数的办法,来保证获得的随机数是不可预测或不可重复的。

例如:你可以抛硬币 256 次,用纸笔记录正反面并转换为 0 和 1,随机得到的 256 位二进制数字可以作为钱包的私钥。

BIP 32 是如何来的?

钱包是私钥管理工具,我们可以根据使用需求生成很多私钥。但是你会发现备份和管理私钥是非常麻烦的。最早期的 BTC 钱包就是这样的,所以他还有一个昵称“Just a Bunch Of Keys”(一堆私钥)。为了解决这种麻烦,就有了 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了,私钥可以通过种子推导出来,如图:

(图片来自 Mastering Bitcoin)

注:BIP (Bitcoin Improvement Proposals),比特币改进建议,BIP32 是第 32 个改进建议。BIP32 提案名称:Hierarchical Deterministic Wallets,就是我们说的分层确定性钱包(HD 钱包)。

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

通过这种分层方式推导出来的秘钥,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),BIP44 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

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。所以大家在使用 imToken 导入助记词的时候会看到选择路径的选项,原因就在这里。

一句话概括下 BIP44 就是:给 BIP32 的分层路径定义规范。

什么是 BIP39?

(做一个对比,备份助记词比备份随机数种子要方便很多)

整个过程包含两步:1.生成助记词 2.助记词推导出种子

生成助记词方式

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)

助记词推导种子

这个过程使用密钥拉伸(Key stretching)函数,用来增强弱密钥的安全性。(这里就不详细说明了,有兴趣的小伙伴可以自行查找资料)

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。

总结

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。

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。

imToken 完全遵循这几种标准,所以只要支持这几种协议的钱包助记词都可以导入 imToken。

参考资料:

如果你还在被HD钱包(分层确定性钱包)、BIP32、BIP44、BIP39搞的一头雾水,来看看这边文章吧。

数字钱包概念

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)“

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。

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。

一句话概括下BIP44就是:给BIP32的分层路径定义规范

BIP39

可以简单的做一个对比,下面那一种备份起来更友好:

// 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

下面是使用bip39生成生成助记词的一段代码:

var bip39 = require('bip39')
// 生成助记词
var mnemonic = bip39.generateMnemonic()
console.log(mnemonic)

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:

同样代码来表示一下:

var hdkey = require('ethereumjs-wallet/hdkey')
var util = require('ethereumjs-util')

var seed = bip39.mnemonicToSeed(mnemonic, "pwd");
var hdWallet = hdkey.fromMasterSeed(seed);

var key1 = hdWallet.derivePath("m/44'/60'/0'/0/0");
console.log("私钥:"+util.bufferToHex(key1._hdkey._privateKey));

var address1 = util.pubToAddress(key1._hdkey._publicKey, true);
console.log("地址:"+util.bufferToHex(address1));
console.log("校验和地址:"+ util.toChecksumAddress(address1.toString('hex')));

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。

完整的币种列表地址:

BIP32 能够让我们保存一个随机数种子,而不是一堆密钥。但是对于大部分用户来讲,还是非常不友好,这就促使了 的出现。它使用助记词的方式生成种子,这种情况下用户只要记住助记词,就可以创造出随机种子作为 BIP32 的种子。

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。

为了解决这种麻烦,就有了: 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。

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:

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 完整的币种列表地址: Account 代表这个币的账户索引,从0开始 Change 常量0用于外部(收款地址),常量1用于内部(也称为找零地址)。外部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 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 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。

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,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。

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,这样就得到12个助记词,这个过程图示如下:

(图来源于网络)

(图来源于网络)

校验和地址是中定义的对大小写有要求的一种地址形式。

我为大家录制了一个视频:,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。

最后推荐一个

https://github.com/satoshilabs/slips/blob/master/slip-0044.md 189
BIP39 29
分层确定性钱包 HD Wallet 介绍 87
深入浅出区块链博客 21
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以太坊
https://github.com/satoshilabs/slips/blob/master/slip-0044.md
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