手把手教你实现HD钱包助记词生成算法

我是前端小学生2024-09-21 20:24

BIP-32 和 BIP-39 的基本概念

BIP-32 和 BIP-39 是比特币改进提案中的两个标准，它们都与加密货币钱包的密钥管理和生成相关。

BIP-32：分层确定性钱包（HD Wallets）：

HD钱包（Hierarchical Deterministic Wallet，分层确定性钱包）是一种加密货币钱包，通过BIP-32标准生成一棵树状结构的钱包密钥。HD钱包的特点是可以从一个称为"种子（seed）"的初始值生成一系列的私钥和公钥对，从而生成多个地址。

  • 作用：BIP-32 提供了一种从一个主密钥（称为种子或根密钥）生成一系列子密钥的机制。
  • 特性：它支持创建具有分层结构的子密钥对。例如，可以生成用于不同账户、地址或应用的子密钥，从而保持不同交易的独立性和隐私。
  • 路径结构 ：BIP-32 使用一种树形结构的路径格式，如 m/44'/60'/0'/0/0，每个层级可以代表一个特定的用途，用户可以通过指定不同的路径生成不同的子密钥。
  • 好处：只需备份一个种子密钥，便可以恢复整棵树上的所有密钥。提高了可扩展性和管理密钥的便捷性。

BIP-39：助记词（Mnemonic）标准

BIP-39 主要用于 将随机生成的熵转换为一串助记词，以便于人类记忆和备份。BIP-39 定义了一种将复杂的种子数据表示为简单、易于记忆的助记词（如 12 或 24 个单词）的标准。

  • 作用：BIP-39 提供了一种人类可读的方式来备份 HD 钱包的种子。它通过使用一组预定义的单词列表生成一串助记词，从而更容易备份和恢复钱包。
  • 助记词生成过程：
    1. 随机生成一定数量的二进制熵（如 128 位或 256 位）。
    2. 将这些熵映射到一个固定的助记词列表中，生成 12 或 24 个单词。
    3. 助记词经过 PBKDF2 哈希算法处理生成一个种子，这个种子用于 BIP-32 钱包的密钥生成。
  • 应用场景：BIP-39 通常用于生成可以用作 BIP-32 种子的助记词。在创建 HD 钱包时，用户通常会得到一串助记词，这些助记词就是基于 BIP-39 标准生成的。

生成助记词的步骤：

1、生成随机熵（Entropy）

  • 首先生成一段随机的二进制数据，称为 熵 。这个熵的长度通常为 128 位、160 位、192 位、224 位或 256 位。128 位熵 对应生成 12 个助记词。256 位熵 对应生成 24 个助记词。
  • 这一步非常重要，因为生成的熵决定了整个钱包的安全性，熵的随机性应由强随机数生成器（CSPRNG）来保证。

我们使用 typescript 来封装一个生成随机熵的函数：

javascript 复制代码 
import * as crypto from 'crypto';

function generateEntropy(bitSize: 128 | 160 | 192 | 224 | 256 = 128): Buffer {
  if (![128, 160, 192, 224, 256].includes(bitSize)) {
    throw new Error(
      'Invalid entropy bit size, should be one of 128, 160, 192, 224, or 256.'
    );
  }
  return crypto.randomBytes(bitSize / 8);
}

这个 generateEntropy 函数用于生成指定大小的随机熵（entropy），返回一个包含随机字节的 Buffer 对象。以下是对函数的逐步解析：

参数 ：bitSize: 该参数指定生成熵的位数，可以是 128、160、192、224 或 256。默认值为 128。

输入验证 ：使用 Array.includes 方法检查 bitSize 是否在允许的值（128, 160, 192, 224, 256）中。如果不在范围内，函数会抛出一个错误，提示"无效的熵位大小"。

生成随机字节 ：crypto.randomBytes(bitSize / 8)：根据 bitSize 计算字节数（位数除以 8），并调用 crypto 模块的 randomBytes 方法生成随机字节。返回值是一个 Buffer 对象，包含生成的随机字节。

示例用法： 调用 generateEntropy(256) 将生成 32 个随机字节，调用 generateEntropy(128) 将生成 16 个随机字节。

错误处理： 如果传入无效的 bitSize，函数会抛出异常，确保函数的使用是安全和可靠的。

2、计算校验位：

为了验证助记词是否正确，BIP-39 将为熵添加一个校验位，校验位由熵的前 entropy_length / 32 位构成。例如，对于 128 位熵，校验位的长度为 128/32 = 4 位；对于 256 位熵，校验位长度为 8 位。将这个校验位附加到熵的末尾，形成新的二进制序列。

ini 复制代码 
function calculateChecksum(entropy: Buffer): number {
  const ENT = entropy.length * 8;
  const CS = ENT / 32;  
  const hash = crypto.createHash('sha256').update(entropy).digest();
  return hash[0] >>> (8 - CS);
}

具体分析如下：

  1. 计算熵的长度（以位为单位） ：
ini 复制代码 
const ENT = entropy.length * 8;

这里的 entropy.length 是熵的字节长度，乘以8将其转换为位长度。这一步计算获得了熵的总位数（ENT）。

  1. 计算校验和的位数（checksum length） ：
ini 复制代码 
const CS = ENT / 32;

校验位数是熵总位数的 1/32。比如，如果熵长度是 256 位，那么校验和位数就是 256 / 32 = 8 位。

  1. 使用 SHA-256 哈希算法对熵进行哈希：
ini 复制代码 
const hash = crypto.createHash('sha256').update(entropy).digest();

将熵作为输入数据，计算其 SHA-256 哈希值。结果 hash 是一个包含哈希值（32字节）的 Buffer 对象。

  1. 提取校验位：
bash 复制代码 
return hash[0] >>> (8 - CS);

Hash 的第一个字节是 hash[0]。SHA-256 产生的哈希值是256位（32字节），我们取第一个字节（8位）。在这一字节中，>>> 是无符号右移运算符，它会将 hash[0] 向右位移 (8 - CS) 位，并将左侧用零填充。

如果打个比方的话，假设我们有一串数字 12345678（对应一个字节的8位二进制位），我们需要取前 CS 位。

例如，CS 为 4 时，我们计算 8 - 4 = 4，然后将整个数字向右移 4 位（得到 00001234 的形式），最右边四个位置上就存储了我们需要的前 CS 位，这些就是我们要提取的校验位。

3、将熵和校验位组合起来

该函数的功能是将给定的熵（entropy）和校验位（checksumBits）组合成一个二进制字符串。

csharp 复制代码 
function combineEntropyAndCheckBitsToBinary(
  entropy: Buffer,
  checksumBits: number
): string {
  // 初始化一个空的二进制字符串
  let binaryString = '';
  
  // 将熵中的每个字节转换为二进制字符串，并连接起来
  for (const byte of entropy) {
    // 将字节转换为二进制字符串，不足8位的用0填充（padStart）
    binaryString += byte.toString(2).padStart(8, '0');
  }

  // 计算校验和位数（checksum length）
  const CS = (entropy.length * 8) / 32;
  
  // 将校验位转换为二进制字符串，不足CS位的用0填充
  binaryString += checksumBits.toString(2).padStart(CS, '0');
  
  // 返回组合后的二进制字符串
  return binaryString;
}

初始化空字符串：

ini 复制代码 
let binaryString = '';

这个变量 binaryString 用来存储最终的拼接结果，包括熵和校验位的二进制表示。

转换熵为二进制字符串：

arduino 复制代码 
for (const byte of entropy) {
  binaryString += byte.toString(2).padStart(8, '0');
}
  • for (const byte of entropy)：依次遍历 entropy 这个 Buffer 中的每一个字节。
  • byte.toString(2)：将每个字节转换为二进制字符串（不包括前导的 0b）。
  • .padStart(8, '0')：通过 padStart 方法确保每个二进制字符串至少有8位。不足8位的左侧用'0'填充。
  • binaryString += ...：将每个字节的二进制表示追加到 binaryString 中。

计算校验位数（checkbits length，简称CS） ：

ini 复制代码 
const CS = (entropy.length * 8) / 32;
  • entropy.length * 8：计算熵的总位数（将字节长度转换为位长度）。
  • / 32：计算校验和的位数。根据BIP39规范，校验和的长度是熵位数的1/32。

转换校验位为二进制字符串并拼接到最终结果中：

scss 复制代码 
binaryString += checkBits.toString(2).padStart(CS, '0');
  • checkBits.toString(2)：将校验位（整数）转换为二进制字符串。
  • .padStart(CS, '0')：确保二进制字符串的长度至少为 CS 位。不足 CS 位的左侧用'0'填充。
  • binaryString += ...：将校验位的二进制表示追加到 binaryString 中。
  1. 返回最终的二进制字符串：
kotlin 复制代码 
return binaryString;

4、将二进制字符串进行分组

将生成的熵加校验位的二进制序列按照每组 11 位分割。例如，对于 128 位熵和 4 位校验位，二进制序列长度为 132 位，这将分成 12 组（每组 11 位）。好的，下面我们重新解析并解释你优化后的 splitIntoIndices 函数。你增强了函数的验证逻辑，确保最终生成的索引数与预期的数量一致，这样能更好地处理输入错误或非标准输入的情况。

typescript 复制代码 
function splitIntoIndices(bits: string): number[] {
  // 初始化一个空数组，用来存储转换后的数字索引
  const indices = [];
  
  // 获取二进制字符串的总长度
  const totalBits = bits.length;
  
  // 计算应该生成的索引数量
  const wordCount = totalBits / 11;

  // 遍历二进制字符串，每次处理11位
  for (let i = 0; i < totalBits; i += 11) {
    // 从当前位置截取11位子字符串，并将其转换为整数
    const index = parseInt(bits.slice(i, i + 11), 2);
    
    // 将转换后的整数添加到结果数组
    indices.push(index);
  }

  // 验证生成的索引数量是否与预期一致
  if (indices.length !== wordCount) {
    throw new Error(
      `Invalid number of indices generated. Expected ${wordCount}, but got ${indices.length}`
    );
  }

  // 返回结果数组
  return indices;
}

初始化一个空数组：

ini 复制代码 
const indices = [];
  • 这个数组 indices 用来存储最后生成的整数索引。

获取二进制字符串的总长度：

ini 复制代码 
const totalBits = bits.length;

这条语句得到字符串 bits 的总长度，并存储在 totalBits 变量中。

计算应该生成的索引数量：

ini 复制代码 
const wordCount = totalBits / 11;

通过将总长度 totalBits 除以11，计算出应该生成的索引数 wordCount。因为每个索引对应11位二进制数，所以字符串的总长度必须是11的倍数。

遍历二进制字符串，每次处理11位：

css 复制代码 
for (let i = 0; i < totalBits; i += 11) {

循环从 i 为0开始，每次增加11，直到 i 达到或超过 totalBits。

截取当前的11位子字符串并转换为整数：

ini 复制代码 
const index = parseInt(bits.slice(i, i + 11), 2);

bits.slice(i, i + 11)从字符串 bits 的位置 i 截取11位长度的子字符串。如果 i + 11 超过字符串长度，slice 方法会自动截取到字符串的末尾。

parseInt(..., 2)将截取的子字符串从二进制字符串转换为十进制整数。

将结果添加到数组中：

ini 复制代码 
indices.push(index);

将上一步得到的整数 index 添加到 indices 数组中。

验证生成的索引数量是否与预期一致：

javascript 复制代码 
if (indices.length !== wordCount) {
  throw new Error(
    `Invalid number of indices generated. Expected ${wordCount}, but got ${indices.length}`
  );
}

在循环完成后，检查生成的索引数量是否与预期的数量 wordCount 一致。如果不一致，则抛出一个错误，说明输入的二进制字符串长度可能不是11的倍数或有其他问题。

返回结果数组：

kotlin 复制代码 
return indices;

验证通过后，返回包含所有转换结果的数组 indices。

示例：

如果输入 bits = "000000000010000000010010000110010111"，长度为33位：

  • totalBits 为 33。
  • wordCount 为 33 / 11 = 3。

经过循环：

  • 第一次截取 bits.slice(0, 11) 得到 "00000000001"，转换为整数 1。
  • 第二次截取 bits.slice(11, 22) 得到 "00000010010"，转换为整数 18。
  • 第三次截取 bits.slice(22, 33) 得到 "00011001011"，转换为整数 811。

生成的 indices 数组为 [1, 18, 811]。

如果 indices.length 和 wordCount 都是3，那么验证通过，最终返回数组 [1, 18, 811]。

5、将索引映射为助记词：

  • BIP-39 提供了一个包含 2048 个常用单词的助记词表（2048 个单词的词汇表），每个单词都有唯一的编号（0 到 2047）。
  • 将每组 11 位二进制数映射到助记词表中的对应单词。由于 11 位二进制数的值范围是 0 到 2047，正好与助记词表的 2048 个单词一一对应。
typescript 复制代码 
function indicesToMnemonic(indices: number[]): string {
  // 获取 BIP39 英文单词列表
  const wordlist = bip39.wordlists.english;

  // 将索引映射为单词并以空格连接成字符串
  return indices.map(index => wordlist[index]).join(' ');
}

获取 BIP39 单词列表：

ini 复制代码 
const wordlist = bip39.wordlists.english;
  • 这一行代码中，bip39.wordlists.english 获取了 BIP39 定义的英语单词列表。
  • BIP39 是一个用于生成和验证加密货币钱包助记符短语的标准，其中定义了一组2048个唯一的短语（单词）。
  • wordlist 是一个包含2048个单词的数组，每个单词对应一个索引，从0到2047。

将索引映射为单词：

ini 复制代码 
return indices.map(index => wordlist[index]).join(' ');
  • indices.map(index => wordlist[index]) 使用 map 函数将 indices 数组中的每个索引转换为相应索引的单词。
  • map 函数的参数是一个回调函数 index => wordlist[index]，这个回调函数会对数组中的每个索引进行操作，并返回对应的单词。
  • 每个索引 index 在 wordlist 中都有一个对应的单词 wordlist[index]。

将单词连接成字符串：

bash 复制代码 
.join(' ')
  • 前一步生成的单词数组将通过 join(' ') 连接成一个以空格分隔的字符串，从而形成助记符短语。
  • join 函数将数组中的所有元素按指定的分隔符（这里是空格）连接成一个字符串。

假设输入的 indices 数组为 [0, 1, 2, 3]：

  1. wordlist[0]：假设是 "abandon"，
  2. wordlist[1]：假设是 "ability"，
  3. wordlist[2]：假设是 "able"，
  4. wordlist[3]：假设是 "about"。

则 indices.map(index => wordlist[index]) 会生成一个数组 ["abandon", "ability", "able", "about"]。

最终通过 join(' ') 连接后，返回的字符串结果为 "abandon ability able about"。

助记词结合密码短语：

助记词还可以与一个 密码短语（passphrase）组合使用来提高安全性。助记词和密码短语经过 PBKDF2 函数处理后生成最终的种子（seed），从而用于钱包的生成。这种方式提供了额外的保护，即使助记词被泄露，没有密码短语也无法恢复钱包。

助记词与密码短语

助记词和密码短语都是用于生成钱包种子的输入数据。助记词是由一组单词组成的短语，密码短语是用户自己添加的额外字符串，提供额外的安全层。

PBKDF2 函数

PBKDF2 (Password-Based Key Derivation Function 2) 是一种基于密码的密钥派生函数，用于增强安全性。它通过多次迭代哈希函数（如 HMAC-SHA512）来生成种子，并可以防止攻击者通过计算快速破解密钥。

生成过程

助记词和密码短语组合：

  • 助记词短语是一组单词（通常是12到24个单词）。
  • 密码短语是一段由用户自定义的字符串，可以为空。

PBKDF2 处理：PBKDF2 的输入包含以下几个部分：

  • 助记词短语：作为主要输入数据。
  • 盐值：由固定字符串 "mnemonic" 和可选的密码短语组成。
  • 迭代次数：通常是2048次。
  • 派生密钥长度：生成结果的长度，通常是512位（64字节）。

具体步骤

组合助记词和密码短语：

  • 助记词，如 "abandon ability able about"。
  • 密码短语，如 "mySecurePassphrase"（如果没有可以为空）。

设置盐值：

  • 盐值 = "mnemonic" + 密码短语。
  • 如果密码短语是 "mySecurePassphrase"，则盐值为 "mnemonicmySecurePassphrase"。
  • 如果密码短语是空字符串，盐值为 "mnemonic"。

PBKDF2 处理：

  • 使用助记词短语作为一个单独的字符串（用空格连接的单词）作为输入数据。
  • 使用设定的盐值。
  • 迭代次数：2048。
  • 哈希函数：HMAC-SHA512。
  • 密钥长度：512位（64字节）。

示例代码

ini 复制代码 
const crypto = require('crypto');

function mnemonicToSeed(mnemonic: string, passphrase: string = ''): Buffer {
  const mnemonicBuffer = Buffer.from(mnemonic, 'utf8');
  const salt = Buffer.from('mnemonic' + passphrase, 'utf8');

  const seed = crypto.pbkdf2Sync(mnemonicBuffer, salt, 2048, 64, 'sha512');
  return seed;
}

// 示例使用
const mnemonic = "abandon ability able about"; // 示例助记词
const passphrase = "mySecurePassphrase"; // 示例密码短语
const seed = mnemonicToSeed(mnemonic, passphrase);

console.log(seed.toString('hex')); // 打印种子值

过程解析：

助记词短语 ：输入：mnemonic = "abandon ability able about"

可选密码短语 ：输入：passphrase = "mySecurePassphrase"

设定盐值 ：salt = "mnemonic" + passphrase即，salt = "mnemonicmySecurePassphrase"

使用 PBKDF2 进行密钥派生:基于输入的助记词和盐值，进行2048次 HMAC-SHA512 迭代计算。生成长度为64字节（512位）的种子。

输出：

seed 是最后生成的钱包种子，它可以用于导出各种类型的加密货币钱包私钥。这一过程确保了钱包种子的高安全性，即使助记词被攻击者获得，没有正确的密码短语也难以生成正确的种子。

总结：

通过将助记词和密码短语结合并使用 PBKDF2 算法处理，可以生成高度安全的钱包种子。这种方法通过增加计算复杂性和密码短语的组合，提高了种子的安全性，从而提升了加密货币钱包的安全防护能力。

完整代码链接：

node:github.com/MagicalBrid... go: github.com/MagicalBrid...

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