理解开发HD 钱包涉及的 BIP32BIP44BIP39

Posted 2021-01-09 tinyxiong

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：

// 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
欢迎来知识星球提问，星球内已经聚集了300多位区块链技术爱好者。