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計，采用第三機制的錢包通常稱為HD錢包。
隨著比特幣區(qū)塊鏈的發(fā)展，人們已經不滿足于，只有一個賬號的情況，有些人會有好幾個賬戶，但是這就出現(xiàn)一個問題，我有幾個賬號，就要保存幾個私鑰，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種子，就可以生成無數個私鑰和地址，這就大大方便了用戶的使用。但是這個種子，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個單詞（3,6,9,12，15,18,21，24支持這些單詞數，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
驗證網站：https://iancoleman.io/bip39/
數字錢包概念
錢包用來存錢的，在區(qū)塊鏈中，我們的數字資產都會對應到一個賬戶地址上， 只有擁有賬戶的鑰匙（私鑰）才可以對資產進行消費（用私鑰對消費交易簽名）。
私鑰和地址的關系如下：
一句話概括下就是：私鑰通過橢圓曲線生成公鑰， 公鑰通過哈希函數生成地址，這兩個過程都是單向的。
因此實際上，數字錢包實際是一個管理私鑰（生成、存儲、簽名）的工具，注意錢包并不保存資產，資產是在鏈上的。
如何創(chuàng)建賬號
創(chuàng)建賬號關鍵是生成一個私鑰， 私鑰是一個32個字節(jié)的數， 生成一個私鑰在本質上在1到2^256之間選一個數字。
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，即隨機性來源，只要選取的結果是不可預測或不可重復的，那么選取數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換為0和1，隨機得到的256位二進制數字可作為錢包的私鑰。
從編程的角度來看，一般是通過在一個密碼學安全的隨機源(不建議大家自己去寫一個隨機數)中取出一長串隨機字節(jié)，對其使用SHA256哈希算法進行運算，這樣就可以方便地產生一個256位的數字。
實際過程需要比較下是否小于n-1（n = 1.158 * 10^77, 略小于2^256），我們就有了一個合適的私鑰。否則，我們就用另一個隨機數再重復一次。這樣得到的私鑰就可以根據上面的方法進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措施的文件。盡管任何人提出，經過審核后公布在bitcoin/bips上。BIP和比特幣的關系，就像是RFC之于互聯(lián)網。
而其中的BIP32、BIP39、BIP44共同定義了目前被廣泛使用的HD錢包，包含其設計動機和理念、實作方式、實例等。
BIP32：定義分層確定性錢包（簡稱“HD Wallet”），是一個系統(tǒng)可以從單個種子 生成一樹狀結構存儲多組密鑰對（私鑰和公鑰）。好處是可以方便的備份、轉移到其他相容裝置因為（都只需要種子），以及分層的權限等。
BIP39：將種子用方便記憶和書寫的單字表示。一般由12個單字組成，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)，賦予樹狀結構中的各層特殊的意義。讓同一個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
錢包也是一個私鑰的容器，按照上面的方法，我們可以生成一堆私鑰（一個人也有很多賬號的需求，可以更好保護隱私），而每個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： 根據一個隨機數種子通過分層確定性推導的方式得到n個私鑰，這樣保存的時候，只需要保存一個種子就可以，私鑰可以推導出來，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。
補充說明下 BIP: Bitcoin Improvement Proposals 比特幣改進建議, bip32是第32個改進建議。
BIP32提案的名字是：Hierarchical Deterministic Wallets， 就是我們所說的HD錢包。
來分析下這個分層推導的過程，第一步推導主秘鑰的過程：
根種子輸入到HMAC-SHA512算法中就可以得到一個可用來創(chuàng)造主私鑰(m) 和 一個主鏈編碼（ 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：
衍生推導的方案其實有兩個：一個用父私鑰推導（稱為強化衍生方程），一個用父公鑰推導。同時為了區(qū)分這兩種不同的衍生，在索引號也進行了區(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（水平擴展）及 通過子秘鑰向下一層（深度擴展）可以無限生成私鑰。
注意， 這個推導過程是確定（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出孫密鑰?，F(xiàn)在我們已經對分層推導有了認識。
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方案。
秘鑰路徑及BIP44
通過這種分層（樹狀結構）推導出來的秘鑰，通常用路徑來表示，每個級別之間用斜杠 / 來表示，由主私鑰衍生出的私鑰起始以“m”打頭。因此，第一個母密鑰生成的子私鑰是m/0。第一個公共鑰匙是M/0。第一個子密鑰的子密鑰就是m/0/1，以此類推。
BIP44則是為這個路徑約定了一個規(guī)范的含義(也擴展了對多幣種的支持)，BIP0044指定了包含5個預定義樹狀層級的結構：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，代表生成第幾個地址，官方建議，每個account下的address_index不要超過20
根據 EIP85提議的討論以太坊錢包也遵循BIP44標準，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隨機數種子（通常16進制數表示），而不是一堆秘鑰，確實方便一些，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）個單詞，單詞序列通過 PBKDF2 與 HMAC-SHA512 函數創(chuàng)建出隨機種子作為 BIP32 的種子。
可以簡單的做一個對比，下面那一種備份起來更友好：
// 隨機數種子 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包含2個部分：助記詞生成及助記詞推導出隨機種子，下面分析下這個過程。
生成助記詞
助記詞生成的過程是這樣的：先生成一個128位隨機數，再加上對隨機數做的校驗4位，得到132位的一個數，然后按每11位做切分，這樣就有了12個二進制數，然后用每個數去查BIP39定義的單詞表，這樣就得到12個助記詞，這個過程圖示如下：
（圖來源于網絡）
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)助記詞推導出種子
這個過程使用密鑰拉伸（Key stretching）函數，被用來增強弱密鑰的安全性，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為隨機函數(例如 HMAC 函數)，把助記詞明文和鹽值作為輸入參數，然后重復進行運算最終產生生成一個更長的（512 位）密鑰種子。這個種子再構建一個確定性錢包并派生出它的密鑰。
密鑰拉伸函數需要兩個參數：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” 及一個可選的密碼組成，注意使用不同密碼，則拉伸函數在使用同一個助記詞的情況下會產生一個不同的種子，這個過程圖示圖下:
（圖來源于網絡）
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>("校驗和地址："+ util.<strong>toChecksumAddress</strong>(address1.<strong>toString</strong>('hex')));校驗和地址是EIP-55中定義的對大小寫有要求的一種地址形式。
密碼可以作為一個額外的安全因子來保護種子，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，那么將無法恢復我們的數字資產。
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
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方案。
而BIP44是給BIP32的分層增強了路徑定義規(guī)范，同時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準。
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