HD加密貨幣錢包助記詞所涉及的 BIP32、BIP44、BIP39介紹
引言
錢包是很多人第一次接觸以太坊或其他虛擬貨幣的地方。無論是用手機(jī)還是瀏覽器的錢包，相信很多人都對一串陌生的單字感到好奇而且很重要還要備份。這是源于比特幣中錢包的設(shè)計(jì)，采用第三機(jī)制的錢包通常稱為HD錢包。
隨著比特幣區(qū)塊鏈的發(fā)展，人們已經(jīng)不滿足于，只有一個(gè)賬號的情況，有些人會有好幾個(gè)賬戶，但是這就出現(xiàn)一個(gè)問題，我有幾個(gè)賬號，就要保存幾個(gè)私鑰，這就特別麻煩和不友好，所以，就出現(xiàn)了bip32確定性算法，該算法可以讓你只有同一個(gè)種子，就可以生成無數(shù)個(gè)私鑰和地址，這就大大方便了用戶的使用。但是這個(gè)種子，也比較長，用戶使用起來也比較繁瑣，這就出現(xiàn)了bip39，它是使用助記詞的方式，生成種子的，這樣用戶只需要記住，12個(gè)單詞（3,6,9,12，15,18,21，24支持這些單詞數(shù)，目前使用較廣泛的是12和24），這就有大大提高了用戶使用的便利性。又隨著區(qū)塊鏈發(fā)展，市面上出現(xiàn)了很多幣種，之前的確定性算法只是針對比特幣的，也就是說只支持一種幣種，用戶想用同一個(gè)種子，管理不同幣種，這就促使了bip44協(xié)議的出現(xiàn)，它是基于bip32協(xié)議的，它給bip32的路徑，賦予了不同的意義，很好的解決了多幣種，多地址的問題。
協(xié)議官方鏈接如果想詳細(xì)的了解這些協(xié)議，請查看官方文檔（解析的最清楚）
big32：https://github.com/bitcoin/bips/blob/master/bip-0032.mediawiki
bip39：https://github.com/bitcoin/bips/blob/master/bip-0039.mediawiki
bip44：https://github.com/bitcoin/bips/blob/master/bip-0044.mediawiki
驗(yàn)證網(wǎng)站：https://iancoleman.io/bip39/
數(shù)字錢包概念
錢包用來存錢的，在區(qū)塊鏈中，我們的數(shù)字資產(chǎn)都會對應(yīng)到一個(gè)賬戶地址上， 只有擁有賬戶的鑰匙（私鑰）才可以對資產(chǎn)進(jìn)行消費(fèi)（用私鑰對消費(fèi)交易簽名）。
私鑰和地址的關(guān)系如下：
一句話概括下就是：私鑰通過橢圓曲線生成公鑰， 公鑰通過哈希函數(shù)生成地址，這兩個(gè)過程都是單向的。
因此實(shí)際上，數(shù)字錢包實(shí)際是一個(gè)管理私鑰（生成、存儲、簽名）的工具，注意錢包并不保存資產(chǎn)，資產(chǎn)是在鏈上的。
如何創(chuàng)建賬號
創(chuàng)建賬號關(guān)鍵是生成一個(gè)私鑰， 私鑰是一個(gè)32個(gè)字節(jié)的數(shù)， 生成一個(gè)私鑰在本質(zhì)上在1到2^256之間選一個(gè)數(shù)字。
因此生成密鑰的第一步也是最重要的一步，是要找到足夠安全的熵源，即隨機(jī)性來源，只要選取的結(jié)果是不可預(yù)測或不可重復(fù)的，那么選取數(shù)字的具體方法并不重要。
比如可以擲硬幣256次，用紙和筆記錄正反面并轉(zhuǎn)換為0和1，隨機(jī)得到的256位二進(jìn)制數(shù)字可作為錢包的私鑰。
從編程的角度來看，一般是通過在一個(gè)密碼學(xué)安全的隨機(jī)源(不建議大家自己去寫一個(gè)隨機(jī)數(shù))中取出一長串隨機(jī)字節(jié)，對其使用SHA256哈希算法進(jìn)行運(yùn)算，這樣就可以方便地產(chǎn)生一個(gè)256位的數(shù)字。
實(shí)際過程需要比較下是否小于n-1（n = 1.158 * 10^77, 略小于2^256），我們就有了一個(gè)合適的私鑰。否則，我們就用另一個(gè)隨機(jī)數(shù)再重復(fù)一次。這樣得到的私鑰就可以根據(jù)上面的方法進(jìn)一步生成公鑰及地址。
BIP32、BIP39、BIP44
BIP全稱是Bitcoin Improvement Proposals，是提出比特幣的新功能或改進(jìn)措施的文件。盡管任何人提出，經(jīng)過審核后公布在bitcoin/bips上。BIP和比特幣的關(guān)系，就像是RFC之于互聯(lián)網(wǎng)。
而其中的BIP32、BIP39、BIP44共同定義了目前被廣泛使用的HD錢包，包含其設(shè)計(jì)動機(jī)和理念、實(shí)作方式、實(shí)例等。
BIP32：定義分層確定性錢包（簡稱“HD Wallet”），是一個(gè)系統(tǒng)可以從單個(gè)種子 生成一樹狀結(jié)構(gòu)存儲多組密鑰對（私鑰和公鑰）。好處是可以方便的備份、轉(zhuǎn)移到其他相容裝置因?yàn)椋ǘ贾恍枰N子），以及分層的權(quán)限等。
BIP39：將種子用方便記憶和書寫的單字表示。一般由12個(gè)單字組成，稱為助記碼（詞組），中文稱為助記詞或助記碼。例如：
rose rocket invest real refuse margin festival danger anger border idle brow
BIP44：基于 BIP32 的系統(tǒng)，賦予樹狀結(jié)構(gòu)中的各層特殊的意義。讓同一個(gè)種子可以支持多幣種、多賬戶等。各層定義如下：
m / purpose' / coin_type' / account' / change / address_index
其中的purporse'固定是44'，代表使用BIP44。而coin_type'用來表示不同的幣種，例如Bitcoin就是0'，Ethereum是60'。
BIP32
錢包也是一個(gè)私鑰的容器，按照上面的方法，我們可以生成一堆私鑰（一個(gè)人也有很多賬號的需求，可以更好保護(hù)隱私），而每個(gè)私鑰都需要備份就特別麻煩的。
最早期的比特幣錢包就是就是這樣，還有一個(gè)昵稱：“Just a Bunch Of Keys(一堆私鑰)“
為了解決這種麻煩，就有了BIP32 提議： 根據(jù)一個(gè)隨機(jī)數(shù)種子通過分層確定性推導(dǎo)的方式得到n個(gè)私鑰，這樣保存的時(shí)候，只需要保存一個(gè)種子就可以，私鑰可以推導(dǎo)出來，如圖：
（圖來自精通比特幣）
上圖中的孫秘鑰就可以用來簽發(fā)交易。
補(bǔ)充說明下 BIP: Bitcoin Improvement Proposals 比特幣改進(jìn)建議, bip32是第32個(gè)改進(jìn)建議。
BIP32提案的名字是：Hierarchical Deterministic Wallets， 就是我們所說的HD錢包。
來分析下這個(gè)分層推導(dǎo)的過程，第一步推導(dǎo)主秘鑰的過程：
根種子輸入到HMAC-SHA512算法中就可以得到一個(gè)可用來創(chuàng)造主私鑰(m) 和 一個(gè)主鏈編碼（ a master chain code)這一步生成的秘鑰（由私鑰或公鑰）及主鏈編碼再加上一個(gè)索引號，將作為HMAC-SHA512算法的輸入繼續(xù)衍生出下一層的私鑰及鏈編碼，如下圖：
衍生推導(dǎo)的方案其實(shí)有兩個(gè)：一個(gè)用父私鑰推導(dǎo)（稱為強(qiáng)化衍生方程），一個(gè)用父公鑰推導(dǎo)。同時(shí)為了區(qū)分這兩種不同的衍生，在索引號也進(jìn)行了區(qū)分，索引號小于2^31用于常規(guī)衍生，而2^31到2^32-1之間用于強(qiáng)化衍生，為了方便表示索引號i’，表示2^31+i。
因此增加索引（水平擴(kuò)展）及 通過子秘鑰向下一層（深度擴(kuò)展）可以無限生成私鑰。
注意， 這個(gè)推導(dǎo)過程是確定（相同的輸入，總是有相同的輸出）也是單向的，子密鑰不能推導(dǎo)出同層級的兄弟密鑰，也不能推出父密鑰。如果沒有子鏈碼也不能推導(dǎo)出孫密鑰?，F(xiàn)在我們已經(jīng)對分層推導(dǎo)有了認(rèn)識。
一句話概括下BIP32就是：為了避免管理一堆私鑰的麻煩提出的分層推導(dǎo)方案。
秘鑰路徑及BIP44
通過這種分層（樹狀結(jié)構(gòu)）推導(dǎo)出來的秘鑰，通常用路徑來表示，每個(gè)級別之間用斜杠 / 來表示，由主私鑰衍生出的私鑰起始以“m”打頭。因此，第一個(gè)母密鑰生成的子私鑰是m/0。第一個(gè)公共鑰匙是M/0。第一個(gè)子密鑰的子密鑰就是m/0/1，以此類推。
BIP44則是為這個(gè)路徑約定了一個(gè)規(guī)范的含義(也擴(kuò)展了對多幣種的支持)，BIP0044指定了包含5個(gè)預(yù)定義樹狀層級的結(jié)構(gòu)：m / purpose' / coin' / account' / change / address_indexm是固定的, Purpose也是固定的，值為44（或者 0x8000002C）
Coin type這個(gè)代表的是幣種，0代表比特幣，1代表比特幣測試鏈，60代表以太坊完整的幣種列表地址：https://github.com/satoshilabs/slips/blob/master/slip-0044.mdAccount代表這個(gè)幣的賬戶索引，從0開始
Change常量0用于外部(收款地址)，常量1用于內(nèi)部（也稱為找零地址）。外部用于在錢包外可見的地址（例如，用于接收付款）。內(nèi)部鏈用于在錢包外部不可見的地址，用于返回交易變更。 (所以一般使用0)
address_index這就是地址索引，從0開始，代表生成第幾個(gè)地址，官方建議，每個(gè)account下的address_index不要超過20
根據(jù) EIP85提議的討論以太坊錢包也遵循BIP44標(biāo)準(zhǔn)，確定路徑是m/44'/60'/a'/0/na 表示帳號，n 是第 n 生成的地址，60 是在 SLIP44 提案中確定的以太坊的編碼。所以我們要開發(fā)以太坊錢包同樣需要對比特幣的錢包提案BIP32、BIP39有所了解。
一句話概括下BIP44就是：給BIP32的分層路徑定義規(guī)范
示例
| coin | account | change | address | path |
|---|---|---|---|---|
| Bitcoin | first | external | first | m / 44’ / 0’ / 0’ / 0 / 0 |
| Bitcoin | first | external | second | m / 44’ / 0’ / 0’ / 0 / 1 |
| Bitcoin | first | internal | second | m / 44’ / 0’ / 0’ / 1 / 1 |
| Bitcoin Testnet | first | external | first | m / 44’ / 1’ / 0’ / 0 / 0 |
| Bitcoin Testnet | second | external | first | m / 44’ / 1’ / 1’ / 0 / 0 |
BIP39
BIP32 提案可以讓我們保存一個(gè)隨機(jī)數(shù)種子（通常16進(jìn)制數(shù)表示），而不是一堆秘鑰，確實(shí)方便一些，不過用戶使用起來(比如冷備份)也比較繁瑣，這就出現(xiàn)了BIP39，它是使用助記詞的方式，生成種子的，這樣用戶只需要記住12（或24）個(gè)單詞，單詞序列通過 PBKDF2 與 HMAC-SHA512 函數(shù)創(chuàng)建出隨機(jī)種子作為 BIP32 的種子。
可以簡單的做一個(gè)對比，下面那一種備份起來更友好：
// 隨機(jī)數(shù)種子 090ABCB3A6e1400e9345bC60c78a8BE7 // 助記詞種子 candy maple cake sugar pudding cream honey rich smooth crumble sweet treat
使用助記詞作為種子其實(shí)包含2個(gè)部分：助記詞生成及助記詞推導(dǎo)出隨機(jī)種子，下面分析下這個(gè)過程。
生成助記詞
助記詞生成的過程是這樣的：先生成一個(gè)128位隨機(jī)數(shù)，再加上對隨機(jī)數(shù)做的校驗(yàn)4位，得到132位的一個(gè)數(shù)，然后按每11位做切分，這樣就有了12個(gè)二進(jìn)制數(shù)，然后用每個(gè)數(shù)去查BIP39定義的單詞表，這樣就得到12個(gè)助記詞，這個(gè)過程圖示如下：
（圖來源于網(wǎng)絡(luò)）
下面是使用bip39生成生成助記詞的一段代碼：
<strong>var</strong> bip39 = require('bip39')
// 生成助記詞
<strong>var</strong> mnemonic = bip39.<strong>generateMnemonic</strong>()
console.<strong>log</strong>(mnemonic)助記詞推導(dǎo)出種子
這個(gè)過程使用密鑰拉伸（Key stretching）函數(shù)，被用來增強(qiáng)弱密鑰的安全性，PBKDF2是常用的密鑰拉伸算法中的一種。
PBKDF2基本原理是通過一個(gè)為隨機(jī)函數(shù)(例如 HMAC 函數(shù))，把助記詞明文和鹽值作為輸入?yún)?shù)，然后重復(fù)進(jìn)行運(yùn)算最終產(chǎn)生生成一個(gè)更長的（512 位）密鑰種子。這個(gè)種子再構(gòu)建一個(gè)確定性錢包并派生出它的密鑰。
密鑰拉伸函數(shù)需要兩個(gè)參數(shù)：助記詞和鹽。鹽可以提高暴力破解的難度。 鹽由常量字符串 “mnemonic” 及一個(gè)可選的密碼組成，注意使用不同密碼，則拉伸函數(shù)在使用同一個(gè)助記詞的情況下會產(chǎn)生一個(gè)不同的種子，這個(gè)過程圖示圖下:
（圖來源于網(wǎng)絡(luò)）
同樣代碼來表示一下：
<strong>var</strong> hdkey = require('ethereumjs-wallet/hdkey')
<strong>var</strong> util = require('ethereumjs-util')
<strong>var</strong> seed = bip39.<strong>mnemonicToSeed</strong>(mnemonic, "pwd");
<strong>var</strong> hdWallet = hdkey.<strong>fromMasterSeed</strong>(seed);
<strong>var</strong> key1 = hdWallet.<strong>derivePath</strong>("m/44'/60'/0'/0/0");
console.<strong>log</strong>("私鑰："+util.<strong>bufferToHex</strong>(key1._hdkey._privateKey));
<strong>var</strong> address1 = util.<strong>pubToAddress</strong>(key1._hdkey._publicKey, true);
console.<strong>log</strong>("地址："+util.<strong>bufferToHex</strong>(address1));
console.<strong>log</strong>("校驗(yàn)和地址："+ util.<strong>toChecksumAddress</strong>(address1.<strong>toString</strong>('hex')));校驗(yàn)和地址是EIP-55中定義的對大小寫有要求的一種地址形式。
密碼可以作為一個(gè)額外的安全因子來保護(hù)種子，即使助記詞的備份被竊取，也可以保證錢包的安全（也要求密碼擁有足夠的復(fù)雜度和長度），不過另外一方面，如果我們忘記密碼，那么將無法恢復(fù)我們的數(shù)字資產(chǎn)。
一句話概括下BIP39就是：通過定義助記詞讓種子的備份更友好
小結(jié)
HD錢包（Hierarchical Deterministic Wallets）是在BIP32中提出的為了避免管理一堆私鑰的麻煩提出的分層推導(dǎo)方案。
而BIP44是給BIP32的分層增強(qiáng)了路徑定義規(guī)范，同時(shí)增加了對多幣種的支持。
BIP39則通過定義助記詞0讓種子的備份更友好。
目前我們的市面上單到的以太幣、比特幣錢包基本都遵循這些標(biāo)準(zhǔn)。
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