錢(qián)包發(fā)展

在比特幣早期，中本聰就提出了每次交易使用一個(gè)地址這個(gè)概念，即假設(shè)你A地址上有100塊，那么你向B地址轉(zhuǎn)賬20塊之后，你剩下的80塊會(huì)轉(zhuǎn)入C地址，A地址徹底棄用，這樣意味著A私鑰也徹底棄用了。在早期的非確定性錢(qián)包，會(huì)一次性為用戶生成100個(gè)私鑰/地址對(duì)，使用完再繼續(xù)生成，可想而知，這樣管理資產(chǎn)非常麻煩。在這種背景下，有人提出了確定性錢(qián)包的概念，只要有一個(gè)種子，就能派生出海量的私鑰/地址對(duì)，妥當(dāng)保管好種子，就能完全掌控整個(gè)派生樹(shù)，而HD錢(qián)包就是目前最常用的確定性錢(qián)包模型。
HD是Hierarchical-Deterministic(分層確定性)的縮寫(xiě)，這個(gè)概念是在BIP32中被首次提出。這里的分層可以理解成，一個(gè)大公司擁有一個(gè)種子，它可以為各個(gè)子部門(mén)派生子私鑰，各個(gè)子部門(mén)又可以給子子部門(mén)派生子子私鑰…

這樣做有很多好處：
○ 樹(shù)狀特征非常適用于有組織結(jié)構(gòu)的公司使用
○ 每個(gè)父能看到自己派生的子的財(cái)務(wù)流向，而子不能看到父
○ 能夠在不需知道私鑰的前提下生成大量的公鑰，非常適用于只負(fù)責(zé)收款的服務(wù)

Tips!

principle of avoiding address reuse: 提倡避免地址重復(fù)使用，當(dāng)數(shù)字貨幣地址已經(jīng)發(fā)生過(guò)一次轉(zhuǎn)賬就存在私鑰泄漏的可能性。
BIP: Bitcoin Improvement Proposals(比特幣改進(jìn)提案)，比特幣是開(kāi)源項(xiàng)目，所有人都可以給核心開(kāi)發(fā)者提出建議。詳見(jiàn)BIP項(xiàng)目地址：bips

種子與助記詞

本質(zhì)上，種子是一個(gè)數(shù)字，不方便記憶。
在BIP39中，提出了助記詞方案來(lái)試圖解決種子的存放問(wèn)題。它的核心是通過(guò)隨機(jī)生成 12 ~ 24 個(gè)容易記住便于抄錄的單詞，再由該單詞序列通過(guò) PBKDF2 與 HMAC-SHA512 函數(shù)創(chuàng)建出隨機(jī)種子作為 BIP32 的種子。它有幾個(gè)特性：

○ 規(guī)定熵的位數(shù)必須是 32 的整數(shù)倍，所以熵的長(zhǎng)度取值位 128 到 256 之間取 32 的整數(shù)倍的值，分別為 128, 160, 192, 224, 256；
○ 校驗(yàn)和的長(zhǎng)度為熵的長(zhǎng)度/32 位, 所以校驗(yàn)和長(zhǎng)度可為 4，5，6，7，8 位；
○ 助記詞庫(kù)有 2048 個(gè)詞，用 11 位可全部定位詞庫(kù)中所有的詞，作為詞的索引，故一個(gè)詞用 11 位表示，助記詞的個(gè)數(shù)可為 (熵+校驗(yàn)和)/11，值為 12，15，18，21，24。
作為創(chuàng)建錢(qián)包的第一步，下面將以目前常用的128強(qiáng)度為例，簡(jiǎn)單闡述下生成助記詞的過(guò)程：
1. 隨機(jī)生成一個(gè)16字節(jié)的熵；
2. 對(duì)熵進(jìn)行哈希計(jì)算，得到一個(gè)長(zhǎng)度為32的數(shù)組；
3. 取熵的比特位，得到一個(gè)長(zhǎng)度為128的數(shù)組；
4. 將熵hash前4比特作為校驗(yàn)位放于熵比特?cái)?shù)組之后，得到一個(gè)長(zhǎng)度為132的數(shù)組；
5. 以長(zhǎng)度11切割第4步得到的數(shù)組，并轉(zhuǎn)為10進(jìn)制，得到12個(gè)數(shù)；
6. 以數(shù)字為序號(hào)，從助記詞庫(kù)取出對(duì)應(yīng)的單詞，得到助記詞。

以下為一個(gè)示例實(shí)現(xiàn)：

在得到助記詞之后，根據(jù)BIP39，我們將使用PBKDF2函數(shù)推算出根種子，其約定的參數(shù)如下：
1. 將助記詞序列作為密碼
2. “mnemonic” + passphrase 作為鹽
3. 以 2048 為重復(fù)計(jì)算的次數(shù)
4. 以 HMAC-SHA512 為隨機(jī)算法
5. 期望得到長(zhǎng)度為512位(64字節(jié))的密鑰作為種子

主密鑰與主鏈碼

得到種子之后，我們需要通過(guò)種子推導(dǎo)出主密鑰 (master key) 和主鏈碼 (master chain code)。
根種子通過(guò)不可逆 HMAC-SHA512 算法推算出 512 位的哈希串，左 256 位是 Master Private key(m), 右 256 位是 master chain code, 通過(guò) m 結(jié)合推導(dǎo)公鑰的橢圓曲線算法能推導(dǎo)出與之對(duì)應(yīng)的 264 位 master public Key (M)。chain code 作為推導(dǎo)下級(jí)密鑰的熵。

Tips！

什么是擴(kuò)展密鑰?
密鑰和鏈碼的結(jié)合統(tǒng)稱(chēng)為擴(kuò)展密鑰 (Extended keys)。即256位的密鑰和256位的鏈碼串聯(lián)起來(lái)的512位就是擴(kuò)展密鑰。
包含私鑰的擴(kuò)展密鑰用以推導(dǎo)子私鑰，從子私鑰又可推導(dǎo)對(duì)應(yīng)的公鑰和比特幣地址。
包含公鑰的擴(kuò)展密鑰用以推導(dǎo)子公鑰。
擴(kuò)展密鑰使用Base58Check算法加上特定的前綴編碼，編碼得到的包含私鑰的前綴為xprv，包含公鑰的擴(kuò)展密鑰前綴為xpub，相比比特幣的公私鑰，擴(kuò)展密鑰編碼之后得到的長(zhǎng)度為512或513位。

路徑

當(dāng)獲得了主密鑰和主鏈碼之后，我們需要設(shè)計(jì)一套規(guī)則來(lái)推導(dǎo)子密鑰和子鏈碼以供交易使用。其中有個(gè)重要的概念就是路徑。
路徑是一套索引規(guī)范。現(xiàn)在我們假設(shè)整個(gè)HD錢(qián)包是一顆樹(shù)，將主密鑰視為樹(shù)干，子私鑰視為葉子，那么路徑就可以視為葉子的坐標(biāo)，可以準(zhǔn)確的描述出葉子相對(duì)于樹(shù)干的位置。
在比特幣社區(qū)的BIP44協(xié)議中，提出了目前常用的5層路徑建議，如下：
m/purpse’/coin_type’/account’/change/address_index每一層都有特別的含義，分別是：
1. purpse：目前固定為44’(或者0x8000002C)，表示遵守BIP44協(xié)議。該層使用硬化衍生。
2. coin_type：幣種類(lèi)型，使得一個(gè)主私鑰可以管理多幣種。其中比特幣是0。該層使用硬化衍生。
3. account：賬戶，從0開(kāi)始按順序嚴(yán)格遞增。它將密鑰空間拆分為獨(dú)立的賬戶身份，從而使得各個(gè)賬戶的資產(chǎn)永遠(yuǎn)不會(huì)攪在一起。該層使用硬化衍生。
4. change：是否為找零地址。常數(shù)0代表對(duì)外地址，常數(shù)1代表內(nèi)部可見(jiàn)地址。在實(shí)際使用過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)將對(duì)外地址用于收款，內(nèi)部地址用于接收交易找零。該層使用正常衍生。
5. address_index：地址索引編號(hào)，從0開(kāi)始按順序嚴(yán)格遞增。該層使用正常衍生。
例如：
○ 比特幣6號(hào)賬戶22號(hào)找零地址：m/44’/0’/6’/1/22
○ 以太坊0號(hào)賬戶0號(hào)非找零地址：m/44’/60’/0’/0/0
最初，設(shè)計(jì)者出于安全考慮引入了硬化衍生。正常衍生的索引號(hào)范圍為 [0x0, 0x7FFFFFFF]，而硬化衍生的索引號(hào)范圍為 [0x80000000, 0xFFFFFFFF]；硬化衍生的索引號(hào)太長(zhǎng)，一般為了便于閱讀，都是會(huì)將索引號(hào)右上角加上撇號(hào)，譬如：0x80000000 記為 0’，0x80000001 記為 1’，以此類(lèi)推。

Tips！

路徑是允許不完整的。比如：如果公司總部?jī)H僅推導(dǎo)到m/44’/0’/0，并將該層的密鑰和鏈碼給了財(cái)務(wù)部，那么就相當(dāng)于財(cái)務(wù)部擁有了0號(hào)賬戶的衍生權(quán)。財(cái)務(wù)部就可以獨(dú)立的用0/0、0/1、0/2…作為路徑去接著推導(dǎo)總部HD錢(qián)包這個(gè)分支的子密鑰。甚至可以將0號(hào)賬戶作為自己的主密鑰，重新構(gòu)建一個(gè)HD錢(qián)包。

增強(qiáng)擴(kuò)展子密鑰推導(dǎo)

至此，我們已經(jīng)定義好了樹(shù)干和坐標(biāo)，可以準(zhǔn)確定位到每個(gè)枝頭，每片樹(shù)葉了。根據(jù)BIP32的HKD(hardened key derivation formula)函數(shù)，結(jié)合父私鑰、父鏈碼和路徑，推導(dǎo)出增強(qiáng)子私鑰和增強(qiáng)子鏈碼。

總結(jié)

區(qū)塊鏈錢(qián)包-私鑰與地址

私鑰

私鑰(yuè)本質(zhì)上是一個(gè)256位隨機(jī)數(shù)。
那么什么是256位隨機(jī)數(shù)呢？首先256位是指由256個(gè)0或1組成，如：1001001010001...，其次隨機(jī)是指某一位上是0或1是隨機(jī)沒(méi)有規(guī)律的。舉個(gè)例子，A想獲得一個(gè)獨(dú)屬于自己的比特幣私鑰，那么他可以通過(guò)擲硬幣來(lái)生成，正面朝上是1，反面朝上是0，擲了256次之后，他得到了一個(gè)數(shù)字序列，即為A的私鑰。
看到這里，你可能會(huì)想，私鑰的規(guī)則也太隨意了吧，我隨便寫(xiě)個(gè)數(shù)，只要不超過(guò)最大值，就是一個(gè)私鑰？或者萬(wàn)一別人隨機(jī)出了我的私鑰，不是可以把我的資產(chǎn)拿走嗎？
你想的沒(méi)錯(cuò)，以上兩個(gè)問(wèn)題的答案都是肯定的…
但是，即使私鑰只是一個(gè)數(shù)字，它仍然非常非常非常難以被破解！它的安全性來(lái)自于它包含的數(shù)字集合非常大，大到難以去窮盡所有數(shù)字，并進(jìn)行一一驗(yàn)證。即使存在客觀的重復(fù)的概率，但我們?nèi)匀豢梢苑Q(chēng)私鑰在密碼學(xué)上是安全的。如果你仍然心存疑慮，那么我們可以感性的感受下：
○ 私鑰共有2^256個(gè)可能，近似于10??。
○ 到目前為止，人類(lèi)可觀測(cè)的宇宙中的原子數(shù)約為10??；
○ “雙色球”一等獎(jiǎng)的中獎(jiǎng)概率是8×10ˉ?；
ok，我們現(xiàn)在知道了比特幣的安全來(lái)自于非常嚴(yán)格的隨機(jī)性，可以說(shuō)我們選取的隨機(jī)算法的強(qiáng)度影響了我們資產(chǎn)的安全性。使用一個(gè)可能會(huì)被預(yù)測(cè)的隨機(jī)算法，不如擲硬幣…

Tips！

如前文所述，私鑰的本體就是一個(gè)數(shù)字，本身是不容易記憶和抄錄的。為了便于使用，大部分錢(qián)包會(huì)對(duì)私鑰進(jìn)行編碼，方便用戶進(jìn)行導(dǎo)入導(dǎo)出操作。目前主流的格式有HEX、WIF、WIF-compressed等。

地址

在傳統(tǒng)銀行用戶模型中，用戶需要賬號(hào)+密碼來(lái)操控自己的資產(chǎn)。而在比特幣體系中，資產(chǎn)其實(shí)是存在每個(gè)私鑰下的，用戶只需要私鑰即可以完全操控自己的資產(chǎn)。私鑰的隱私性太強(qiáng)，是不可能讓別人得知的，那么如何實(shí)現(xiàn)在不暴露自己私鑰的前提下，讓別人給自己轉(zhuǎn)賬呢？地址應(yīng)運(yùn)而生。
通過(guò)橢圓曲線算法（ECDSA），私鑰可以計(jì)算出一個(gè)唯一且不可逆的公鑰， 公鑰通過(guò)特定的哈希計(jì)算得到公鑰哈希，在對(duì)公鑰哈希進(jìn)行編碼，即可得到地址。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，因?yàn)楣€本身太長(zhǎng)了，不利于交易的進(jìn)行，所以通過(guò)一些變換得到地址。地址就是公鑰的一種表現(xiàn)形式。

在比特幣體系中，生成一個(gè)地址的流程大致為：

可以看出，比特幣用于公開(kāi)交易的地址是由公鑰進(jìn)行一系列數(shù)學(xué)計(jì)算得來(lái)的。順理成章的，如果改變其中的哈希算法或者編碼方式，就可以得到一個(gè)不同的結(jié)果，也就是一個(gè)新地址！這個(gè)特性使得一個(gè)私鑰管理多種加密貨幣變?yōu)榭赡埽?br />○ A私鑰->A公鑰-比特幣地址算法->比特幣地址
○ A私鑰->A公鑰-以太坊地址算法->以太坊地址
○ …

Tips！

為什么比特幣地址要采用Base58編碼呢？與Base64的是，Base58去掉了幾個(gè)看起來(lái)可能會(huì)產(chǎn)生歧義的字母，如0(零)、O(大寫(xiě)字母O)、I(大寫(xiě)的字母i) 和 l(小寫(xiě)的字母L)，以及兩個(gè)影響雙擊選擇的字符，如/和+。在設(shè)計(jì)層面盡可能降低地址輸錯(cuò)帶來(lái)的資金損失。

到此這篇關(guān)于區(qū)塊鏈錢(qián)包-hd錢(qián)包實(shí)現(xiàn)原理的文章就介紹到這了,更多相關(guān)hd錢(qián)包實(shí)現(xiàn)原理內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持腳本之家！

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