SHA:區塊鏈基礎知識篇——《精通比特幣》第四章“密鑰、地址、錢包”解讀

通過本章的學習，可以幫你很具象的熟悉錢包的原理，以及私鑰、公鑰、比特幣地址和錢包的關系。本章可以為產品和技術人員設計研發數字錢包時提供參考。

閱讀時長：15分鐘左右

4.1私鑰、公鑰、地址和錢包的關系

錢包：錢包是私鑰的容器，錢包中只包含私鑰，不包含比特幣，錢包定義了一套生成私鑰、管理私鑰以及使用私鑰簽名的規則。

私鑰：作用是對交易進行簽名。由錢包通過隨機熵源生成，也可由錢包導入已有的私鑰。

公鑰：由私鑰通過特定的橢圓曲線函數生成。由私鑰可以推出公鑰，但由公鑰很難計算出私鑰。

比特幣地址：由公鑰經過單向的雙哈希函數生成，通過Base58check編碼的方式呈現，比特幣地址以數字1開頭。

在了解以上4個概念的關系后，下面詳細講解私鑰、公鑰、地址的生成原理以及錢包的分類。

4.2私鑰的生成原理

私鑰就是一個隨機選出的數字而已，該隨機數是一個二進制的256位數字。隨機性數據來源于符合密碼學安全的隨機數生成器，即從一堆隨機源的數據中取出一串隨機字節，通過SHA算法轉化成256位的二進制數字，再驗證選擇的隨機數是否處于1到n-1之間(其中n是一個常數，略小于2^256)，如果運算結果小于n-1，則隨機數合適，否則需要重新選取隨機數，直至所選取的隨機數滿足驗證條件為止。

區塊鏈項目BEAM更新路線圖:金色財經報道，以隱私為中心的區塊鏈項目Beam(BEAM)的團隊分享了2021年剩余時間的路線圖的詳細信息，將專注于名為BeamX的新DeFi生態系統、增強的用戶體驗和私有跨鏈橋。Ferocious Fermion 6.0或BeamX引導者將從網絡硬分叉開始。除了硬分叉激活之外，Beam團隊還分享了為接下來兩個階段的進展準備的細節。Beam (BEAM) 將支持機密資產和主要貨幣的互換，如 LTC、BTC、QTUM、DASH、DOGE、ETH、DAI和USDT。此外，主要智能合約環境之間的無縫跨鏈交互仍然是Beam開發人員的主要關注領域。首先，該團隊將向Beam區塊鏈添加ERC-20交易。不久之后，將通過去中心化的橋接器實現對DOT、BSC和SOL的支持。最后，Beam的工程師將集成Chainlink(LINK)價格預言機。[2021/6/22 23:55:06]

當然，不同的錢包選取的隨機數位數可能不一樣。

私鑰的表示方法

私鑰的常見表示法有十六進制、WIF格式、WIF-compressed格式。

上海市知識產權局局長：研究加強區塊鏈等新業態新領域的知識產權保護:2020年4月28日14:30，上海市人民政府新聞辦公室舉行新聞發布會，上海市知識產權局局長芮文彪表示，4月26號上海召開了知識產權保護大會，發布了《關于強化知識產權保護的實施方案》。《實施方案》中明確提出，將完善新業態新領域保護制度。我們將著力加強市場主體知識產權保護和管理能力建設，編制發布企業知識產權保護指南，制定合同示范文本、維權流程等操作指引。同時，將進一步創新執法和監管模式，研究加強人工智能、移動互聯網、區塊鏈等新業態新領域的知識產權保護。（澎湃新聞）[2020/4/28]

十六進制格式的私鑰，是將原始256位的二進制數據轉換成了64位的十六進制數據表示出來；

WIF，即錢包導入格式，指將私鑰導入新的錢包中時，錢包用來識別私鑰的格式，所以在錢包導出私鑰時，會生成該格式的私鑰。WIF格式的私鑰以5開頭，代表該格式的私鑰需要生成非壓縮格式的公鑰。

WIF-compressed，即錢包導入壓縮格式，該私鑰的格式以K或L開頭，將私鑰導入到錢包后，代表錢包會用該格式的私鑰生成壓縮格式的公鑰，以便正確解析比特幣地址。

聲音 | 山東省財政廳副廳長：將推動區塊鏈等和實體經濟的深度融合:據北國網報道，在上海會計學院日前舉辦的“財經講堂·濟南站”上，山東省財政廳黨組成員、副廳長陳祥志表示，我們會進一步的強化大數據思維，準確把握信息化和經濟全球化的大勢，通過國有資本的布局和結構調整，推動互聯網、大數據、區塊鏈、人工智能和實體經濟的深度融合，發展數字經濟，共享經濟，培育新增長點，形成新動能。[2019/4/4]

4.3公鑰的生成原理

私鑰通過橢圓曲線函數，可以計算得到公鑰，這是不可逆的過程：K=k*G。其中k是私鑰，G是橢圓曲線上定義的初始常數點，K是公鑰。

比特幣的橢圓曲線方程：y^2=x^3+7,這條曲線定義在素數階p的有限域內，可以想象為在一個極大的網格上定義了一系列復雜的散點。公鑰K的計算運用了橢圓曲線的加法和乘法規則：k*G=G+G+……+G，且該橢圓曲線上的兩個點想加，其相加的和等于與橢圓曲線相交于另一點、然后在X軸上的反射點。那么G+G的值相當于從G點做切線后與曲線相交點，其在X軸上的反射點2G，如下圖所示：

動態 | 紐約媒體集團與區塊鏈公司合作:據coingeek消息，紐約媒體集團（New York Media）與創意內容管理區塊鏈協議Po.et合作，將區塊鏈技術整合到紐約媒體的開源出版平臺Clay中，允許出版商擴大建立內容所有權的選擇，并將其貨幣化。[2018/12/13]

圖一橢圓曲線同點相加，圖片來源于網絡

公鑰K定義為該反射點的坐標K=。

公鑰的表示方法

公鑰是根據橢圓曲線計算出來的坐標，知道了x的值，可以根據函數求出對應y的值。如果同時將x和y用256位二進制存儲的話，所占空間將增大1倍，存儲空間上有些浪費。所以，公鑰的表示格式分為非壓縮格式和壓縮格式。

非壓縮格式的公鑰，是指生成的公鑰拼接了x和y的值，非壓縮格式的公鑰，以前綴04開頭。

壓縮格式的公鑰，是指生成的公鑰中只包含了x的值，壓縮格式的公鑰，以前綴02或03開頭。如上述橢圓曲線同點相加圖示，同一個橫坐標x可能對應2個y值，由于y在有限域中只有正數，此處的2個y值分別對應奇數和偶數，前綴02開頭表示y是偶數，前綴03開頭表示y是奇數。

寶馬試點區塊鏈平臺 可跟蹤車輛里程:據CoinDesk報道，全球汽車巨頭寶馬(BMW)正在試點一個區塊鏈平臺，通過其啟動的創新項目來跟蹤租賃車輛的里程。[2018/5/8]

由私鑰生成壓縮格式的公鑰時，會在私鑰的后面拼接01，用以表明該私鑰來自于一個較新的錢包，只能用來生成壓縮的公鑰。對于私鑰本身，是不會改變原值而壓縮的。這樣做的目的是為了給導入私鑰的錢包一個信號：到底是使用壓縮格式公鑰和比特幣地址去掃描區塊鏈，還是使用非壓縮格式公鑰和比特幣地址。

4.4比特幣地址

比特幣地址是將公鑰經過雙哈希，得到公鑰哈希后，采用Base58check編碼的形式展示。比特幣地址以1開頭。

Base64編碼是將任意的一長串輸入轉化成特定長度的數字和字母組成的表示法，其編碼字符使用了26個小寫字母、26個大寫字母、10個數字和兩個符號+以及/，Base58編碼舍棄了一些容易錯讀和混淆的字符，其不含數字0，小寫o、大寫O、小寫i、大寫I以及+和/兩個字符。Base58check編碼采用的是Base58編碼，同時加入了校驗的功能。

最終的比特幣地址由版本前綴、公鑰哈希和校驗碼3部分組成。其中版本前綴用來標識編碼后得到的是比特幣地址，如采用Base58check編碼時，比特幣地址的前綴是0，私鑰編碼的前綴為128；公鑰哈希，即將原始公鑰經過SHA256和RIPEMD計算后得到的20字節的值；校驗碼，是由前綴拼接公鑰哈希后，經過2次SHA256，取計算后的值的前4個字節得到。

比特幣地址的生成原理，如下圖所示：

圖二比特幣地址的生成原理

使用Base58check編碼格式時，編碼軟件會計算原始數據的校驗碼和結果數據中自帶的校驗碼進行對比，二者不匹配則表明有錯誤產生，那么這個地址也是無效的。

4.5比特幣錢包的分類

錢包是用來管理私鑰的容器。比特幣錢包分為非確定性錢包錢包和確定性錢包。

非確定性錢包：由錢包預先隨機生成N個私鑰，每個私鑰一旦使用，需要單獨備份，當密鑰足夠多時，很難管理、備份和導入到新錢包，所以這種錢包使用起來很不方便，正被確定性錢包替代。

確定性錢包：又稱種子錢包，顧名思義，即通過一個種子即可推出所有密鑰。所以，在備份密鑰或導入到新錢包時，只需要備份種子密鑰即可，剩余的密鑰可以根據既定規則推算出來。常見的確定性錢包，包含助記碼詞匯以及分層確定性錢包。

助記碼詞匯

助記碼詞匯是用英文單詞序列代表作種子，來對應確定性錢包的隨機數。單詞的順序就是錢包的備份，也就是對應的私鑰集合。助記碼詞匯可以讓使用者復制錢包更容易一些，它們相對于隨機數字順序來說，可以很容易的被讀并且正確抄寫。

助記碼和種子的創建過程如下：

1.創造一個128到256位的隨機順序；

2.使用SHA256哈希該隨機順序，取前幾位作為校驗和。所選取的隨機數的位數不同，校驗和的字符數也不相同。

3.把校驗和拼接在隨機順序的后面

4.按順序把拼接后的值分解成11位不同的集合，并用這些集合去和一個預先已經定義的2048個單詞字典做對應

5.取出對應的單詞，按順序即可生成一個12至24個詞的助記碼。

分層確定性錢包

分層確定性錢包，是通過單個種子生成主密鑰，再由主密鑰以樹狀結構衍生子密鑰，子密鑰又可以通過規則衍生出孫密鑰，以此類推，一個種子可以衍生出無窮個子密鑰，而且備份時只需備份種子即可將錢包中的所有密鑰備份。

由種子衍生主密鑰的過程：

如上圖所示，由隨機數生成種子后，通過單向哈希函數，輸出512位的值，其中左邊的256位做為主密鑰，右邊的256位作為主鏈編碼。

由父私鑰衍生子私鑰的過程：

如上圖所示，父私鑰衍生子私鑰時，先由父私鑰生成父公鑰，再由父公鑰、父鏈編碼和索引號通過單向哈希函數計算輸出512位的值，左邊的256位對應子密鑰，右邊的256位對應子鏈編碼。其中索引號用來標識子私鑰對應的位置。

4.6總結

通過本章的學習，可以很具象的熟悉私鑰、公鑰和比特幣地址的背后原理，同時了解錢包的本質及其管理私鑰的方式。本章可以為產品和技術人員設計研發數字錢包時提供參考。

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