詳解 | 錢包的技術細節之種子的創建過程

上回書說到，您要是準備開發一個比特幣錢包，那麼它應該被構建為一個HD錢包。那麼，錢包是怎樣實現的？錢包又有哪些行業標準呢？由於確定性錢包的密鑰，可以通過種子來生成，所以，HD錢包用戶只有了原始種子就可以利用錢包生成所有的密鑰了。關於錢包的具體細節，將分成兩篇文章來介紹。第一篇介紹錢包的種子是如何生成的，第二篇將介紹接下來的如何用種子來創建HD錢包。所以，這篇文章將著重來介紹種子的創建過程。本文將按照下面的結構來展開：

1.BIP 比特幣改進建議

比特幣建議提案是向比特幣社區提供信息的設計文檔，或用於描述比特幣的新功能，流程和環境。根據BIP-01也就是BIP的目的和指南的規定，有三種BIP,分別是標準類BIP，信息類BIP，以及過程類BIP。BIP記錄在GitHub上的版本化存儲庫中。下面來簡單介紹一下這三種BIP的種類：

（1）標準類BIP

描述影響比特幣實現的更改的建議，這類建議具有「比特幣行業標準」的功能。比如網路協議的更改，區塊有效性規則的更改等等。這類標準的主要作用是提出新功能，新標準，有新的改進，代表著比特幣社區的共識和建議。

（2）信息類BIP

描述比特幣設計問題，或者想比特幣社區提供一般準則或信息，但不提供新功能。這類BIP不代表比特幣社區的共識，讀者和實施者可以忽略此類信息。

（3）過程類BIP

描述一個比特幣過程，或者提出一個過程的更改。這類BIP與標準BIP類似，但適用於比特幣協議本身以外的其他領域。這類BIP可能會提出一個實現，但是這個實現不是在比特幣的代碼庫中實現。過程類BIP需要得到社區的共識，用戶不能過隨意忽略它。

所以說，在這三類BIP協議中，信息類BIP是可以忽略的，標準類BIP和過程類BIP對於比特幣網路的改進是十分重要的，不能夠忽略。接下來的關於比特幣錢包的標準就是來自於這些標準類BIP。

2.常見的錢包標準

比特幣錢包技術已經比較成熟了，理所當然的出現了一些常見的行業標準。這些行業標準使得比特幣錢包具備廣泛互操作，易於使用，安全和靈活的特性。常見的標準有：

（1）助記碼，基於BIP-39

（2）HD錢包，基於BIP-32

（3）多用途HD錢包結構，基於BIP-43

（4）多幣種和多賬戶錢包，基於BIP-44

這些標準已經被廣泛的軟體和硬體錢包採用了，使得所有的這些錢包可以實現互操作。用戶可以到處在一個錢包上生成的助記符，並將其導入另一個錢包，實現恢復所有交易，密鑰和地址。

支持這些標準的軟體錢包，包括（按字母順序排列）Breadwallet，Copay，Multibit HD和Mycelium等。支持這些標準的硬體錢包，包括（按字母順序排列）Keepkey，Ledger和Trezor等。如果您正在準備開發一個比特幣錢包，那麼，它應該被構建為一個HD錢包，一個種子被編碼為助記詞代碼進行備份，遵循BIP-32，BIP-39，BIP-43和BIP-44標準。

3.助記碼辭彙（BIP-39）| 種子的創建過程

助記碼辭彙使用英文單詞序列來編碼種子，用來對應確定性錢包中的隨機數。簡單來講，助記碼辭彙是單詞序列形式的種子，記住了助記碼，就能夠用來恢複錢包。

• 助記詞和種子的區別

確定性錢包是由種子衍生創造的。為了便於使用，種子被編碼為助記詞。種子是128到256位的隨機數，是面向程序底層的。而助記詞是一個12~24個單詞的隨機序列，是面向用戶的。兩者是統一事物的兩種不同的表現形式，其本質是一樣的。下表是助記詞及其所對應的種子：

• 助記詞和腦錢包的區別

助記詞和「腦錢包」經常被混淆。他們不一樣！主要區別在於腦錢包是由用戶所選擇的單詞順序來生成對應的種子，而助記詞是由錢包隨機創建的，並呈現給用戶。這個重要的區別，使得助記詞更加的安全，因為猜測隨機數字，對人類而言是無能為力的。

• BIP-39標準過程

利用BIP-39標準創建種子錢包過程中，主要分成兩部分。第一部分是創建助記詞，第二部分是從助記詞生成種子。

助記詞是由錢包使用BIP-39中定義的標準化過程自動生成的。錢包從熵源開始，增加校驗和，然後將熵映射到單詞列表，主要分為以下六個步驟：

1. 創建一個128到256位的隨機序列（熵）。
2. 提出SHA256哈希的前幾位（熵長/32）,就可以創造出隨機序列的校驗和。
3. 將校驗和添加到隨機序列的末尾。
4. 將序列劃分為包含11位的不同部分。
5. 將每個包含11部分的值與一個已經預先定義2048個單詞的詞典做對應。
6. 生成的有序的單片語就是助記碼。

由上面的步驟可知，創建助記詞的過程中，依然用到了哈希函數，隨機數，校驗和等等。映射部分主要是在步驟5中。下圖展示了熵是如何生成助記詞的。

在上面的例子中，我們選取了長度為128位的熵，來生成了有12個單詞的助記碼。在實際的應用中，熵的長度越長，校驗碼的長度和助記詞的長度也會相應的增長。下圖展示了熵數據的大小和助記詞的長度之間的關係：

• 由助記詞生成種子

從上面的流程可知，助記詞實際上代表的是128至256位的熵。接下來的過程中，將會通過使用密鑰延伸函數PBKDF2 (Password-Based Key Derivation Function)來導出較長的（512位）的種子。將所得的種子用於構建確定性錢包並得到其密鑰。

密鑰延伸函數有兩個參數，助記詞和鹽。鹽的目的是增加構建能夠進行暴力攻擊的查找表的難度。在BIP-39標準匯總，鹽有另一個目的，那就是可以允許引入密碼短語，作為保護種子的附加安全因子。創建助記詞之後的7-9步過程如下：

1. PBKDF2密鑰延伸函數的第一個參數是步驟6中生成的助記詞。
2. PBKDF2密鑰延伸函數的第二個參數是鹽。有字元串常數「助記詞」和可選的用戶提供的密碼字元串連接組成。
3. PBKDF2使用HMAC-SHA512演算法，使用2048次哈希來延伸助記符和鹽參數，產生一個512位的值作為其最終的輸出。這個512位的值就是種子！

下圖顯示了如何從助記詞生成種子：

• BIP-39中的可選密碼

從上圖可以看出，BIP-39標準允許在推導種子時使用可選的密碼短語。如果沒有使用密碼短語，助記詞是用有常量字元串「助記詞」構成的鹽進行延伸，給任何給定的助記詞產生一個特定的512位種子。如果使用了密碼短語，密鑰延伸函數使用同樣的助記詞會產生不同的種子。這樣助記碼加可選密碼的組合方式，使得產生的種子的數量大大增加。

從種子的生成過程中，我們可以看到，用到了很多的單向哈希函數。最後生成的種子是一個512位的隨機數字。正是因為位數有512位，這就提供了取之不盡的地址。

參考鏈接：

第五章 錢包 · 巴比特圖書book.8btc.com