概述

分层确定性钱包,可以从一个种子派生出一系列密钥对用于生成地址,便于钱包的备份与管理

助记词、种子、公钥、地址之间的关系:

助记词与种子公钥与地址之间只能单向推导 hdwallet.png

涉及到的 BIP 协议:

  1. BIP39 定义助记词的生成规则和助记词到种子的推导规则

  2. BIP32 hd 钱包核心提案,定义分层概念和算法

  3. BIP44 定义 5 层路径规则

  4. BIP45 定义多签地址生成规则

本篇文章,我将对上述协议分别展开讨论与分析,并且在最后会通过代码示例来帮助我们更好的理解协议的内容。

BIP39

此处查看 BIP39 文档

文档概要:

  • 定义了助记词的生成规则
  • 定义了助记词到种子的转换规则
  • 定义了助记词 wordlist,目前包含7种语言,每种 2048个单词
  • 助记词到种子的推导是单向的

助记词的生成:

  1. 产生一个随机数作为熵 entropy,长度为 128-256 bits,必须为 32 bits 的整数倍。
  2. 然后在 entropy 尾部追加校验 checksum,checksum 是取 entropy 的 sha256 哈希值的前 n 位,位数跟 entropy 的长度有关,具体如下:
entropy checksum entropy+checksum mnemonic
128 4 132 12
160 5 165 15
192 6 198 18
224 7 231 21
256 8 264 24
  1. 然后 将 entropy+checksum 进行分组,每组 11 bits,每组的取值范围是 0 ~ 2047,刚好映射 wordlist 里的单词。
  2. 将映射的单词以空格隔开拼接为字符串,即为助记词。

助记词到种子的推导:

通过 PBKDF2 函数生成大小为 64 byte 的种子。

PBKDF2(Password-Based Key Derivation Function 2)是一个基于口令的密钥推导方法,用于增强弱秘钥的安全性。本质上就是基于 hash 函数通过加盐和迭代因子让处理速度变慢,减少爆破风险。具体可参考 wiki

该函数定义如下:

DK = PBKDF2(PRF, Password, Salt, c, dkLen)

其中 :

  • PRF 为伪随机函数相当于一个 hash 函数
  • Password 是口令,由用户负责安全
  • Salt 是盐,用于增加破解难度
  • c 是迭代次数,越大越安全
  • dkLen 是产生的密钥长度

在 bip39 中,用于产生种子的上述参数分别为:

  • HMAC-SHA512 单向的 hash 算法
  • 助记词字符串
  • “mnemonic"+passphrase(口令是可选的)
  • 2048
  • 512(bits)

由函数 PBKDF2 可知,助记词到种子的推导是单向的不可逆的。

代码参考:https://github.com/tpkeeper/addrtool

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func TestGenMnemonic(t *testing.T) {
	//生成熵
	entropyBytes,_:=bip39.NewEntropy(128)
	t.Log("entropyBytes:",entropyBytes)

	//生成助记词
	mnemonic,_:=bip39.NewMnemonic(entropyBytes)
	t.Log("mnemonic:",mnemonic)
}
func TestMnemonicToSeed(t *testing.T) {
	mnemonic :="chef fiction deputy stage pudding pink skirt often decade drift music loop"
	//助记词生成种子 password 为空
	seed:=bip39.NewSeed(mnemonic,"")
	t.Log("seed:",hex.EncodeToString(seed))
}

//output:
//entropyBytes: [158 45 139 248 16 245 71 178 223 231 241 118 0 211 244 134]
//mnemonic: owner hobby wrap capable federal sunny legend wreck invite alley wood aspect
//seed: 04ef53d66b17fdfb6538c5d183f0b0569fc1c79d07f044f7670c3038aff411e5abcbe8c457b584d0c1e3504ab94fb311f9097a793c20dfc746a87087ed5dc119

BIP32

查看文档 BIP32

概要:

  • 定义了由种子推导树状扩展密钥对的算法与规则

基本概念:

  • 扩展秘钥有两种,扩展私钥和扩展公钥,扩展私钥可以扩展子私钥,扩展公钥可以扩展子公钥
  • 扩展私钥定义为:(k , c),其中 k 为私钥,c 为 链码 chaincode
  • 扩展公钥定义为:(K , c),其中 K 为公钥,c 为 链码 chaincode
  • 子秘钥扩展方法定义为:CKD(extended key , index),其中参数为扩展秘钥和索引。

需要注意:

  • 扩展为非强化子秘钥时 index 范围为: 0 ~ ($2^{31}-1$),扩展为强化子秘钥时 index 范围为: $2^{31}$ ~ $(2^{32}-1)$
  • 只有扩展私钥才能扩展强化子扩展秘钥

扩展的具体过程:

  1. 首先计算主扩展秘钥,即树根对应的扩展秘钥。 计算 HMAC-SHA512(“Bitcoin seed” , seed) 得到 512 bits,其中参数 seed 是在 BIP32 中生成的种子。然后将结果分为 L 和 R,各占 32 字节,分别作为主扩展秘钥的私钥和链码,得到主扩展秘钥。
  2. 然后通过 CKD(extended key , index) 方法向下层层扩展子密钥。

CKD()方法扩展子秘钥有如下场景:

  1. 父扩展私钥 -> 强化子扩展私钥
  2. 父扩展私钥 -> 非强化子扩展私钥
  3. 父扩展公钥 -> 非强化子扩展公钥
  4. 父扩展公钥 -> 强化子扩展公钥(不允许)

ckd.png

有上图可知,场景 3,可以在不生成私钥的情况下,通过公钥扩展子公钥。这些公钥对应的私钥正好需要通过场景 2 来额外生成。具体的原理用到了椭圆曲线加密算法 ECC 的运算特性。途中的 || 是字节拼接操作,+x 都是 ECC 里的运算。在 ECC 中有以下定义:

key x G = pubKey

(key1 + key2) x G = pubKey1 + pubkey2

现在我们来证明 childPrivKey 就是 childPubKey 的私钥:

已知:

上图中场景 2 和场景 3,推导出的 il 是同一个值

il + parentPrivKey = childPrivKey

il x G + parentPubKey = childPubKey

我们可以得出:

il x G + parentPrivKey x G = childPrivKey x G

parentPrivKey x G = parentPubKey

进而得出:

il x G + parentPubkey = childPrivKey x G = childPubKey

所以 childPrivKey 就是 childPubkey 对应的私钥

代码参考: https://github.com/tpkeeper/addrtool/

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func TestSeedToPubkey(t *testing.T) {
	seed := "04ef53d66b17fdfb6538c5d183f0b0569fc1c79d07f044f7670c3038aff411e5abcbe8c457b584d0c1e3504ab94fb311f9097a793c20dfc746a87087ed5dc119"
	hexByte, _ := hex.DecodeString(seed)
	//m
	masterExtKey, _ := bip32.NewMasterKey(hexByte)
	//m/purpose'
	purposeExtKey,_:=masterExtKey.NewChildKey(bip32.FirstHardenedChild+44)
	//m/purpose'/cointype'
	coinTypeExtKey,_:=purposeExtKey.NewChildKey(bip32.FirstHardenedChild+0)
	//m/purpose'/cointype'/account'
	accountExtKey,_:=coinTypeExtKey.NewChildKey(bip32.FirstHardenedChild+0)
	//m/purpose'/cointype'/account'/change
	changeExtKey,_:=accountExtKey.NewChildKey(0)
	//m/purpose'/cointype'/account'/change/addrIndex
	addrIndex0ExtKey,_:=changeExtKey.NewChildKey(0)
	//pubkey
	t.Log(hex.EncodeToString(addrIndex0ExtKey.PublicKey().Key))
}

BIP44

查看文档:BIP44

概要:

  • 定义了5层路径规则,可兼容多账号多币种

bip44 协议的 5 层路径规则:

路径:m/purpse’/coin_type’/account’/change/address_index(符号 ‘ 表示强化子秘钥,需要 index >= $2^{31}$)

  • m:主扩展密钥
  • purpose: bip44/bip45
  • coin_type: 币种
  • account: 钱包账户
  • change: 0 对外 / 1 找零
  • address_index: 地址索引

每一层对应的关系如下:

bip44.png

拿到公钥

生成公钥:

通过层层扩展,拿到第五层的扩展密钥 (k,c),其中的 k 即为 privkey,然后结合椭圆曲线的算法即可得到 pubKey

公钥到地址的转换

简单的理解,地址就是 公钥或者脚本 的哈希值的 base58 格式。

常用的地址的格式:

P2PKH (Pay To PubKey Hash) 格式的地址

p2pkh_addr.png

P2SH (Pay To Script Hash) 格式的地址

p2sh_addr.png

前缀占用一个字节,表示地址类型。

hash160(pubkey) 占用 20 字节。

校验位占用 4 个字节,是对 前缀 + hash160(pubkey) 进行两次 sha256 取前四个字节。

使用 base58 便于更友好的显示,增加的校验还可以防止用户输入错误,bip32 中也是这种格式来显示扩展密钥。

代码参考:https://github.com/tpkeeper/addrtool

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func PubkeyToAddress(key []byte,netId byte)(string){
	hash160Bytes:=btcutil.Hash160(key)
	return base58.CheckEncode(hash160Bytes,netId)
}

base58前缀目录一览:

其中 xpub xprv 就是 BIP32 中的扩展公/私密钥的 base58 导出格式

base58pre.png