比特币钱包

钱包是私钥的容器,通常通过有序文件或者简单的数据库实现。另外一种制作私钥的途径是确定性密钥生成。在这里你可以用原先的私钥,通过单向哈希函数来生成每一个新的私钥,并将新生成的密钥按顺序连接。只要你可以重新创建这个序列,你只需要第一个私钥(称作种子、主私钥)来生成它们。在本节中,我们将会检查不同的私钥生成方法及其钱包结构。

比特币钱包只包含私钥而不是比特币。每一个用户有一个包含多个私钥的钱包。钱包中包含成对的私钥和公钥。用户用这些私钥来签名交易,从而证明它们拥有交易的输出(也就是其中的比特币)。比特币是以交易输出的形式来储存在区块链中(通常记为vout或txout)。

非确定性(随机)钱包

在最早的一批比特币客户端中,钱包只是随机生成的私钥集合。这种类型的钱包被称作零型非确定钱包。举个例子,比特币核心客户端预先生成100个随机私钥,从最开始就生成足够多的私钥并且每把钥匙只使用一次。这种类型的钱包有一个昵称“JustaBunchOfKeys(一堆私钥)”简称JBOK。这种钱包现在正在被确定性钱包替换,因为它们难以管理、备份以及导入。随机钥匙的缺点就是如果你生成很多,你必须保存它们所有的副本。这就意味着这个钱包必须被经常性地备份。每一把钥匙都必须备份,否则一旦钱包不可访问时,钱包所控制的资金就付之东流。这种情况直接与避免地址重复使用的原则相冲突——每个比特币地址只能用一次交易。地址通过关联多重交易和对方的地址重复使用会减少隐私。0型非确定性钱包并不是钱包的好选择,尤其是当你不想重复使用地址而创造过多的私钥并且要保存它们。虽然比特币核心客户包含0型钱包,但比特币的核心开发者并不想鼓励大家使用。下图表示包含有松散结构的随机钥匙的集合的非确定性钱包。

非确定性(随机)钱包



确定性(种子)钱包

确定性,或者“种子”钱包包含通过使用单项离散方程而可从公共的种子生成的私钥。种子是随机生成的数字。这个数字也含有比如索引号码或者可生成私钥的“链码”。在确定性钱包中,种子足够收回所有的已经产生的私钥,所以只用在初始创建时的一个简单备份就足以搞定。并且种子也足够让钱包输入或者输出。这就很容易允许使用者的私钥在钱包之间轻松转移输入。

助记码词汇

助记码词汇是英文单词序列代表(编码)用作种子对应所确定性钱包的随机数。单词的序列足以重新创建种子,并且从种子那里重新创造钱包以及所有私钥。在首次创建钱包时,带有助记码的,运行确定性钱包的钱包的应用程序将会向使用者展示一个12至24个词的顺序。单词的顺序就是钱包的备份。它也可以被用来恢复以及重新创造应用程序相同或者兼容的钱包的钥匙。助记码代码可以让使用者复制钱包更容易一些,因为它们相比较随机数字顺序来说,可以很容易地被读出来并且正确抄写。

助记码被定义在比特币的改进建议39中,目前还处于草案状态。需注意的是,BIP0039是一个建议草案而不是标准方案。具体地来说,电子钱包和BIP0039使用不同的标准且对应不同组的词汇。Trezor钱包以及一些其他钱包使用BIP0039,但是BIP0039和电子钱包的运行不兼容。

BIP0039定义助记码和种子的创建过程如下:

1.创造一个128到256位的随机顺序(熵)。

2.提出SHA256哈希前几位,就可以创造一个随机序列的校验和。

3.把校验和加在随机顺序的后面。

4.把顺序分解成11位的不同集合,并用这些集合去和一个预先已经定义的2048个单词字典做对应。

5.生成一个12至24个词的助记码。

表4-5表示了熵数据的大小和助记码单词的长度之间的关系。

表4-5助记码:熵及宇段长度

image.png

助记码表示128至256位数。这可以通过使用私钥抻拉函数PBKDF2来导出更长的(512位)的种子。所得的种子可以用来创造一个确定性钱包以及其所派生的所有钥匙。

助记码词汇

分层确定性钱包(BIP0032/BIP0044)

确定性钱包被开发成更容易从单个“种子”中生成许多关键的钥匙。最高级的来自确定性钱包的形是通过BIP0032标准生成的thehierarchicaldeterministicwalletorHDwalletdefined。分层确定性钱包包含从数结构所生成的钥匙。这种母钥匙可以生成子钥匙的序列。这些子钥匙又可以衍生出孙钥匙,以此无穷类推。这个树结构表如下图所示。


如果你想安装运行一个比特币钱包,你需要建造一个符合BIP0032和BIP0044标准的HD钱包。

HD钱包提供了随机(不确定性)钥匙有两个主要的优势。第一,树状结构可以被用来表达额外的组织含义。比如当一个特定分支的子密钥被用来接收交易收入并且有另一个分支的子密钥用来负责支付花费。不同分支的密钥都可以被用在企业环境中,这就可以支配不同的分支部门,子公司,具体功能以及会计类别。

HD钱包的第二个好处就是它可以允许让使用者去建立一个公共密钥的序列而不需要访问相对应的私钥。这可允许HD钱包在不安全的服务器中使用或者在每笔交易中发行不同的公共钥匙。公共钥匙不需要被预先加载或者提前衍生,但是在服务器中不具有可用来支付的私钥。

从种子中创造HD钱包

HD钱包从单个root seed中创建,为128到256位的随机数。HD钱包的所有的确定性都衍生自这个根种子。任何兼容HD钱包的根种子也可重新创造整个HD钱包。所以简单的转移HD钱包的根种子就让HD钱包中所包含的成千上百万的密钥被复制,储存导出以及导入。根种子一般总是被表示为a mnemonic word sequence,助记码词汇可以让人们更容易地抄写和储存。

创建主密钥以及HD钱包地主链代码的过程如下图所示。

从种子中创造HD钱包

根种子输入到HMAC-SHA512算法中就可以得到一个可用来创造master private key(m)和a master chain code的哈希。主私钥(m)之后可以通过使用我们在本文先前看到的那个普通椭圆曲线m*g过程生来成相对应的主公钥(M)。链代码可以绐从母密钥中创造子密钥的那个方程中引入的熵。

私有子密钥的衍生

分层确定性钱包使用CKD(child key derivation)方程去从母密钥衍生出子密钥。子密钥衍生方程是基于单项哈希方程。这个方程结合了:

  • 一个母私钥或者公共钥匙(ECDSA未压缩键)

  • —个叫做链码(256bits)的种子

  • —个索引号(32bits)

链码是用来给这个过程引入看似的随机数据的,使得索引不能充分衍生其他的子密钥。因此,有了子密钥并不能让它发现自己的相似子密钥,除非你已经有了链码。最初的链码种子(在密码树的根部)是用随机数据构成的,随后链码从各自的母链码中衍生出来。

这三个项目相结合并散列可以生成子密钥,如下。

母公共钥匙——链码——以及索引号合并在一起并且用HMAC-SHA512方程散列之后可以产生512位的散列。所得的散列可被拆分为两部分。散列右半部分的256位产出可以给子链当链码。左半部分256位散列以及索引码被加载在母私钥上来衍生子私钥。在图4-11中,我们看到这种这个说明——索引集被设为0去生产母密钥的第0个子密钥(第一个通过索引)。

私有子密钥的衍生

改变索引可以让我们延长母密钥以及创造序列中的其他子密钥。比如子0,子1,子2等等。每一个母密钥可以右20亿个子密钥。

向密码树下一层重复这个过程,每个子密钥可以依次成为母密钥继续创造它自己的子密钥,直到无限代。

使用衍生的子密钥

子私钥不能从非确定性(随机)密钥中被区分出来。因为衍生方程是单向方程,所以子密钥不能被用来发现他们的母密钥。子密钥也不能用来发现他们的相同层级的姊妹密钥。如果你有第n个子密钥,你不能发现它前面的(第n—1)或者后面的子密钥(n+1)或者在同一顺序中的其他子密钥。只有母密钥以及链码才能得到所有的子密钥。没有子链码的话,子密钥也不能用来衍生出任何孙密钥。你需要同时有子密钥以及对应的链码才能创建一个新的分支来衍生出孙密钥。

那子私钥自己可被用做什么呢?它可以用来做公共钥匙和比特币地址。之后它就可以被用那个地址来签署交易和支付任何东西。

子密钥、对应的公共钥匙以及比特币地址都不能从随机创造的密钥和地址中被区分出来。事实是它们所在的序列,在创造他们的HD钱包方程之外是不可见的。一旦被创造出来,它们就和“正常”钥匙一样运行了。

扩展密钥

正如我们之前看到的,密钥衍生方程可以被用来创造钥匙树上任何层级的子密钥。这只需要三个输入量:一个密钥,一个链码以及想要的子密钥的索引。密钥以及链码这两个重要的部分被结合之后,就叫做extended key。术语“extended key”也被认为是“可扩展的密钥”是因为这种密钥可以用来衍生子密钥。

扩展密钥可以简单地被储存并且表示为简单的将256位密钥与256位链码所并联的512位序列。有两种扩展密钥。扩展的私钥是私钥以及链码的结合。

想象一个扩展密钥作为HD钱包中钥匙树结构的一个分支的根。你可以衍生出这个分支的剩下所有部分。扩展私人钥匙可以创建一个完整的分支而扩展公共钥匙只能够创造一个公共钥匙的分支。

它可被用来衍生子私钥(子私钥可以衍生子公共密钥)公共钥匙以及链码组成扩展公共钥匙。这个钥匙可以用来扩展子公共钥匙,见“4.1.6生成公钥”。

一个扩展钥匙包括一个私钥(或者公共钥匙)以及一个链码。一个扩展密钥可以创造出子密钥并且能创造出在钥匙树结构中的整个分支。分享扩展钥匙就可以访问整个分支。

扩展密钥通过Base58Check来编码,从而能轻易地在不同的BIP0032-兼容钱包之间导入导出。扩展密钥编码用的Base58Check使用特殊的版本号,这导致在Base58编码字符中,出现前缀“xprv”和“xpub”。这种前缀可以让编码更易被识别。因为扩展密钥是512或者513位,所以它比我们之前所看到的Base58Check-encoded串更长一些。

这是一个在Base58Check中编码的扩展私钥的例子:

xprv9tyUQV64JT5qs3RSTJkXCWKMyUgoQp7F3hA1xzG6ZGu6u6Q9VMNjGr67Lctvy5P8oyaYAL9CAWrUE9i6GoNMKUga5biW6Hx4tws2six3b9c

这是在Base58Check中编码的对应的扩展公共钥匙:

xpub67xpozcx8pe95XVuZLHXZeG6XWXHpGq6Qv5cmNfi7cS5mtjJ2tgypeQbBs2UAR6KECeeMVKZBPLrtJunSDMstweyLXhRgPxdp14sk9tJPW9

公共子钥匙推导

正如之前提到的,分层确定性钱包的一个很有用的特点就是可以不通过私钥而直接从公共母钥匙派生出公共子钥匙的能力。这就给了我们两种去衍生子公共钥匙的方法:或者通过子私钥,再或者就是直接通过母公共钥匙。

因此,扩展的公共钥匙可以再HD钱包结构的分支中,被用来衍生所有的公钥(且只有公共钥匙)。

这种快捷方式可以用来创造非常保密的public-key-only配置。在配置中,服务器或者应用程序不管有没有私钥,都可以有扩展公共钥匙的副本。这种配置可以创造出无限数量的公共钥匙以及比特币地址。但是不可以花送到这个地址里的任何比特币。与此同时,在另一种更保险的服务器上,扩展私钥可以衍生出所有的对应的可签署交易以及花钱的私钥。

这种方案的一个常见的方案是安装一个扩展的公共钥匙在服务电商公共程序的网络服务器上。网络服务器可以使用这个公共钥匙衍生方程去给每一笔交易(比如客户的购物车)创造一个新的比特币地址。但为了避免被偷,网络服务商不会有任何私钥。没有HD钱包的话,唯一的方法就是在不同的安全服务器上创造成千上万个比特币地址,之后就提前上传到电商服务器上。这种方法比较繁琐而且要求持续的维护来确保电商服务器不“用光”公共钥匙。

这种解决方案的另一种常见的应用是冷藏或者硬件钱包。在这种情况下,扩展的私钥可以被储存在纸质钱包中或者硬件设备中(比如Trezor硬件钱包)与此同时扩展公共钥匙可以在线保存。使用者可以根据意愿创造“接收”地址而私钥可以安全地在线下被保存。为了支付资金,使用者可以使用扩展的私钥离线签署比特币客户或者通过硬件钱包设备(比如Trezor)签署交易。图4-12阐述了扩展母公共钥匙来衍生子公共钥匙的传递机制。

硬化子密钥的衍生

从扩展公共钥匙衍生一个分支公共钥匙的能力是很重要的,但牵扯一些风险。访问扩展公共钥匙并不能得到访问子私人密钥的途径。但是,因为扩展公共钥匙包含有链码,如果子私钥被知道或者被泄漏的话,链码就可以被用来衍生所有的其他子私钥。一个简单地泄露的私钥以及一个母链码,可以暴露所有的子密钥。更糟糕的是,子私钥与母链码可以用来推断母私钥。

为了应对这种风险,HD钱包使用一种叫做hardenedderivation的替代衍生方程。这就“打破”了母公共钥匙以及子链码之间的关系。这个硬化衍生方程使用了母私钥去推到子链码,而不是母公共钥匙。这就在母/子顺序中创造了一道“防火墙”——有链码但并不能够用来推算子链码或者姊妹私钥。强化的衍生方程看起来几乎与一般的衍生的子私钥相同,不同的是是母私钥被用来输入散列方程中而不是母公共钥匙,如图4-13所示。

硬化子密钥的衍生

当强化私钥衍生方程被使用时,得到的子私钥以及链码与使用一般衍生方程所得到的结果完全不同的。得到的密钥“分支”可以被用来生产不易被攻击的扩展公共钥匙,因为它所含的链码不能被用来开发或者暴露任何私钥。强化的衍生也因此被用来在上一层级,使用扩展公共钥匙的的密钥树中创造“间隙”。

简单地来说,如果你想要利用扩展公共钥匙的便捷来衍生公共钥匙的分支而不将你自己暴露在泄露扩展链码的风险下,你应该从强化母私钥,而不是一般的母私钥,来衍生公共钥匙。最好的方式是,为了避免了推到出主钥匙,主钥匙所衍生的第一正常衍生和强化衍生的索引号码

用在衍生方程中的索引号码是32位的整数。为了区分密钥是从正常衍生方程中衍生出来还是从强化衍生方程中产出,这个索引号被分为两个范围。索引号在0和231-1(0x0to0x7FFFFFFF)之间的是只被用在常规衍生。索引号在231和232-1(0x80000000to0xFFFFFFFF)之间的只被用在强化衍生方程。因此,索引号小于231就意味着子密钥是常规的,而大于或者等于231的子密钥就是强化型的。

为了让索引号码更容易被阅读和展示,强化子密码的索引号码是从0开始展示的,但是右上角有一个小撇号。第一个常规子密钥因此被表述为0,但是第一个强化子密钥(索引号为0x80000000)就被表示为0'。第二个强化密钥依序有了索引号0x80000001,且被显示为1',以此类推。当你看到HD钱包索引号i',这就意味着231+i。

HD钱包密钥识别符(路径)

HD钱包中的密钥是用“路径”命名的,且每个级别之间用斜杠(/)字符来表示(见表4-8)。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。

密钥的“祖先”是从右向左读,直到你达到了衍生出的它的主密钥。举个例子,标识符m/x/y/z描述的是子密钥m/x/y的第z个子密钥。而子密钥m/x/y又是m/x的第y个子密钥。m/x又是m的第x个子密钥。

表4-8HD钱包路径的例子

  • HDpath 密钥描述

  • m/0 从主私钥(m)衍生出的第一个(0)子密钥。

  • m/0/0 第一个私人子密钥(m/0)的子密钥。

  • m/0'/0 第一个子强化密钥firsthardenedchild(m/0')的第一个常规子密钥。

  • m/1/0 第2个子密钥(m/1)的第一个常规子密钥

  • M/23/17/0/0 主密钥衍生出的第24个子密钥所衍生出的第17个子密钥的第一个子密钥所衍生出的第一个子密钥。

HD钱包树状结构的导航

HD钱包树状结构提供了极大的灵活性。每一个母扩展密钥有40已个子密钥:20亿个常规子密钥和20亿个强化子密钥。而每个子密钥又会有40亿个子密钥并且以此类推。只要你愿意,这个树结构可以无限类推到无穷代。但是,又由于有了这个灵活性,对无限的树状结构进行导航就变得异常困难。尤其是对于在不同的HD钱包之间进行转移交易,因为内部组织到内部分支以及亚分支的可能性是无穷的。

两个比特币改进建议(BIPs)提供了这个复杂问的解决办法一通过创建几个HD钱包树的提议标准。BIP0043提出使用第一个强化子索引作为特殊的标识符表示树状结构的“purpose”。基于BIP0043,HD钱包应该使用且只用第一层级的树的分支,

而且有索引号码去识别结构并且有命名空间来定义剩余的树的目的地。举个例子,HD钱包只使用分支m/i'/是为了表明那个被索引号“i”定义的特殊为目地。

在BIP0043标准下,为了延长的那个特殊规范,BIP0044提议了多账户结构作为“purpose”。所有遵循BIP0044的HD钱包依据只使用树的第一个分支的要求而被定义:m/44'/。

BIP0044指定了包含5个预定义树状层级的结构:

m/purpose'/coin一type'/account'/change/address_index

第一层的目的地总是被设定为44’。第二层的“coin_type”特指密码货币硬币的种类并且允许多元货币HD钱包中的货币在第二个层级下有自己的亚树状结构。目前有三种货币被定义:Bitcoinism/44’/0’、BitcoinTestnetism/44’/1’,以及Litecoinism/4472.。

树的第三层级是“account”,这可以允许使用者为了会计或者组织目的,而去再细分他们的钱包到独立的逻辑性亚账户。举个例子,一个HD钱包可能包含两个比特币“账户”:m/44’/0’/0’和m/44’/0’/1’。每个账户都是它自己亚树的根。

第四层级就是“change”。每一个HD钱包有两个亚树,一个是用来接收地址一个是用来创造找零地址。注意无论先前的层级是否使用是否使用强化衍生,这一层级使用的都是常规衍生。这是为了允许这一层级的树可以在可供不安全环境下,输出扩展的公共钥匙。被HD钱包衍生的可用的地址是第四层级的子级,就是第五层级的树的“address_index”。比如,第三个层级的主账户收到比特币支付的地址就是M/44707070/2。表4-9展示了更多的例子。

BIP0044指定了包含5个预定义树状层级的结构:

使用比特币浏览器实验比特币钱包

依据介绍过的使用比特币浏览管理器命令工具,你可以试着生产和延伸BIP0032确定性密钥以及将它们用不同的格式进行展示:

使用比特币浏览器实验比特币钱包

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