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oneleo/Bones_01.md

Created December 24, 2018 13:18
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Bones_01.md

詳解 HD Wallet、BIP-0032、BIP-0039、BIP-0043 及 BIP-0044

加密貨幣錢包（Cryptocurrency Wallet）

  1. 在加密貨幣的世界中，錢包並非儲存加密貨幣的地方。

  2. 反倒是錢包的主要功能是一個儲存私鑰（Private Key）的工具，私鑰是一串很長的英文字母、數字組成的字串（通常是 64 個 16 進制位元 = 256 Bits = 32 Bytes 所組成），而這條很長的字串讓您有權力把自己的加密貨幣傳送給別人。

  3. 錢包可在使用者產生交易（Transaction）時使用私鑰將交易簽章（Digital Signature），而簽章的目的除了確認使用者為貨幣擁有者外，還可確保在交易完成後不可否認（Non-Repudiation）此交易；而儲存加密貨幣的地方則是負責維護區塊鏈（Blockchain）的礦工節點內。

  4. 加密貨幣錢包形式多樣，分為離線的冷錢包（Cold Wallet）、在線的熱錢包（Hot Wallet）、印在紙上的紙錢包（Paper Wallet）… 等。無論何種形式的錢包，錢包的開發商均需要有一個共同遵循的規範（例如：私鑰為多少位元、如何依據一個亂數產生私鑰等）。

比特幣改進提案（Bitcoin Improvement Proposals，BIP）

  1. BIP 全名是 Bitcoin Improvement Proposals，是開發者向比特幣社群提出比特幣 Bitcoin 新功能或改進建議的技術設計文件。

  2. 根據 BIP-0001 改進提案，BIP 總共分為：

  • 描述系統面更動的標準類 BIP（Standards Track BIP）

  • 描述系統指導資訊的資訊類 BIP（Informational BIP）

  • 描述建議更動流程的程序類 BIP（Process BIP）

分層確定性錢包（Hierarchical Determinstic Wallet，HD Wallet）

  • HD Wallet 被 BIP-0032、BIP-0039、BIP-0043、BIP-0044 改進提案所共同定義，包含了錢包的設計動機、理念、實作方式等。

BIP-0032 改進提案：

  • BIP-0032 是 HD Wallet 的核心提案，在系統使用 SECP256K1 橢圓曲線加密演算法前提下，我們可用熵（Entropy）函數產生隨機的 32 個 16 進制字元（128 Bits）S，

S = Entropy_128_Bits

  • 將 S 字串透過雜湊演算法 HMAC-SHA512 產生一組 64 個 16 進制字元（256 Bits），我們將（左半邊的）256 Bits 字串作為父擴展私鑰（Parent Extended Private Key）m；另一組（右半邊的）256 Bits 字串作為下一級的鏈碼（Chain Code）c。而 m 可推導成父擴展公鑰（Parent Extended Public Key）M。

m = Left（HMAC_SHA512（S）, 256）

c = Right（HMAC_SHA512（S）, 256）

M = SECP256K1（m）

  • 使用子私鑰求導（Child Private Key Derivation，CKDpri）函數，我們可以透過父擴展私鑰來產生出 index = i 子私鑰（Private Child Key）。

Child Private Key（Index = i） = m / i = CKDpri（m, i） = Left（HMAC_SHA512（c, M, i）, 256）⊕ m

m / 0 = CKDpri（m, 0）
m / 1 = CKDpri（m, 1）
m / 2 = CKDpri（m, 2）
…
m / i = CKDpri（m, i）

  • 使用增強子私鑰求導（Child Hardened Key Derivation，HKD）函數，我們可以透過父擴展私鑰來產生出 index = i' 子私鑰（Private Child Key）。

Child Private Key（Index = i'） = m / i' = HKD（m, i） = Left（HMAC_SHA512（c, m, i）, 256）⊕ m

m / 0' = HKD（m, 0）
m / 1' = HKD（m, 1）
m / 2' = HKD（m, 2）
…
m / i' = HKD（m, i）

  • 使用子公鑰求導（Child Public Key Derivation，CKDpub）函數，我們可以透過父擴展公鑰來產生出子公鑰（Public Child Key）。

Child Public Key = M / i = CKDpub（M, i） = Left（HMAC_SHA512（c, M, i）, 256）⊕ M

M / 0 = CKDpub（M, 0）
M / 1 = CKDpub（M, 1）
M / 2 = CKDpub（M, 2）
…
M / i = CKDpub（M, i）

  • BIP-0032 改進提案的好處是，我們只要備份、轉移 S，即可透過鑰匙樹（Key Tree）在其他相容 BIP-0032 的裝置上還原私鑰、公鑰及地址。

BIP-0039 改進提案：

  • 有鑑於 BIP-0032 的 S 不好記憶，BIP-0039 提出 S 可以透過 12 組英文單字助記詞（Mnemonic Code）來產生。

  • 熵（Entropy）函數產生隨機的 32 個 16 進制字元（128 Bits ~ 256 Bits）ENT（初始熵長度，Initial Entropy Length），再取 ENT 的位元數除以 32 得到 CS（校驗和長度，Checksum Length）。

  • 註：ENT = Entropy（）= 128 + 32 * N Bits，N = 0 ~ 4，這邊採 Entropy 128 Bits／12 Words 來作計算。

ENT = Entropy_128_Bits

CS = Length（ENT）/ 32

  • 在 ENT 右側串接 SHA256（ENT）左邊的 CS 個字元。

X = ENT *（2 ^ CS）+ Left（SHA256（ENT）, CS）

  • 將 X 每 11 Bits 進行切割生成的助記詞（Generated Mnemonic Sentence，MS）

MS[] = Split（X, 11）

  • 因為 ENT 位元數範圍為（128 + 32 * N）Bits，N = 0 ~ 4，下表為不同 ENT 位元數時會產生助記詞 MS 數量。
Length（ENT） Length（CS） Length（ENT）+
Length（CS）		 Length（MS）
128 4 132 12
160 5 165 15
192 6 198 18
224 7 231 21
256 8 264 24

  • 以太坊 MetaMask 錢包是使用當 ENT 為 128 位元時產生的 12 組 MS，透過查表法，我們可得對映的 12 組英文單字（或是中文、日文、韓文等）

  • 註：對映表可參考此連結。

  • 可以將 12 ~ 24 組的 MS + Salt（密碼學中加強雜湊亂度用）經過 2048 次的 HMAC-SHA512 計算後取得 BIP-0032 所使用的 S。

S =（HMAC_SHA512 ^ 2048）（MS + Salt）

BIP-0043 改進提案：

  • 根據 BIP-0032 改進提案，將 Key Tree 的第一級定義為宗旨（Purpose），Purpose 值與 BIP-00XX 改進提按的編號相等，例如 BIP-0044 中的 Purpose = 44。

BIP-0044 改進提案中的中的 Key Tree = m / 44' = HKD（m, 44） = Left（HMAC_SHA512（c, m, 44））⊕ m

BIP-0044 改進提案：

  • 根據 BIP-0032、BIP-0043 的改進提案，將 Key Tree 的
    • 第一級定義為宗旨（Purpose）
    • 第二級定義為代幣類型（Coin Type）
    • 第三級定義為帳戶（Account）
    • 第四級定義為鏈的變化（Change）
    • 第五級定義為地址索引（Index）

BIP-0044 的 Key Tree = CKDpub（CKDpub（HKD（HKD（HKD（m, i）, j）, n）, o）, p） = m / i' / j' / n' / o / p

i = Purpose，i = 44 表示 BIP-0044。 j = Coin Type，j = 0 表示比特幣；j = 1 表示比特幣測試鏈；j = 60 表示以太坊。 n = Account，n = 0 表示第一個帳戶；n = 1 表示第二個帳戶。 o = Change，o = 0 表示用於收款的外部鏈（External Chain）；o = 1 表示用於更改地址的內部鏈（Internal Chain）。 p = Index，p = 0 表示第一組地址；p = 1 表示第二組地址。

結論

  • 本篇介紹了什麼是 HD Wallet，以及 BIP-0032、BIP-0039、BIP-0043、BIP-0044 改進提案，而我們可以根據 BIP-0044 簡易的得知：若我們想取得以太坊的第一組帳號中用於收款之第一組地址 Key Tree 即為 m / 44' / 60' / 0' / 0 / 0。

參考資料：

（歡迎社群分享。但引用至政大【以太坊原理與應用開發】課程中的作業一請註明來自 oneleo Steemit，及附上原文連結：詳解 HD Wallet、BIP-0032、BIP-0039、BIP-0043 及 BIP-0044）

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