原理

  1. 私钥、公钥和地址的产生方法，这是区块链的相关知识

  2. 如何使用API进行远程调用等基础概念，这是传统IT行业相关知识

  3. 钱包设计相关的助记词(mnemonic)，keystore和密码的相关概念，它和区块链公钥、私钥和地址产生的方式思路一样，但是整个过程属于区块链钱包设计过程，不能与区块链的相关知识混淆

解答

一、 私钥、公钥和地址产生的方式（以 BTC 为例）：
  1. 比特币私钥其实是使用 SHA-256 生成的 32 字节（256 位）的随机数，有效私钥的范围则取决于比特币使用的 secp256k1 椭圆曲线数字签名标准。
  2. 在私钥的前面加上版本号，后面添加压缩标志和附加校验码，（所谓附加校验码，就是对私钥经过 2 次 SHA-256 运算，取两次哈希结果的前四字节），然后再对其进行 Base58 编码，就可以得到我们常见的 WIF （Wallet import Format) 格式的私钥。
  3. 私钥经过椭圆曲线乘法运算，可以得到公钥。公钥是椭圆曲线上的点，并具有 x 和 y 坐标。公钥有两种形式：压缩的与非压缩的。早期比特币均使用非压缩公钥，现在大部分客户端默认使用压缩公钥。

从私钥推导出公钥、再从公钥推导出公钥哈希都是单向的，也就是采用不可逆算法。

椭圆曲线算法

  1. 值通过 RIPEMD-160 算法来得到 20 字节的哈希值 ——Hash160
  2. 把版本号 [2]+Hash160 组成的 21 字节数组进行双次 SHA256 哈希运算，得到的哈希值的头 4 个字节作为校验和，放置 21 字节数组的末尾。
  3. 对组成 25 位数组进行 Base58 编码，最后得到地址。
二、远程过程调用 (RemoteProcedure Call, RPC)

它是一个计算机通信协议。该协议允许运行于一台计算机的程序调用另一台计算机的子程序，而程序员无需额外地为这个交互作用编程。RPC 的主要功能目标是让构建分布式计算（应用）更容易，在提供强大的远程调用能力时不损失本地调用的语义简洁性。广为使用的是一个叫做 JSON （JavaScript Object Notation）- RPC 的协议。所以钱包都是通过某个区块链 RPC 接口调用来和区块链网络进行交互。

三、助记词相关

助记词规则

  1. 生成一个长度为 128~256 位 (bits) 的随机序列 (熵)；
  2. 取熵哈希后的前 n 位作为校验和 (n= 熵长度 /32)；
  3. 随机序列+校验和；
  4. 把步骤 3 得到的结果每 11 位切割；
  5. 步骤 4 得到的每 11 位字节匹配词库的一个词；
  6. 步骤 5 得到的结果就是助记词串；

根据密钥之间是否有关联可把钱包分为两类：nondeterministic wallet 和 deterministic wallet。

nondeterministic wallet：密钥对之间没有关联；

deterministic wallet: 密钥对由一个原始的种子主密钥推导而来。最常见的推导方式是树状层级推导

(hierarchical deterministic) 简称 HD。

通过助记词生成种子

助记词由长度为 128 到 256 位的随机序列 (熵) 匹配词库而来，随后采用 PBKDF2 function 推导出更长的种子 (seed)。生成的种子被用来生成构建 deterministic Wallet 和推导钱包密钥。

在密码学中，Key stretching 技术被用来增强弱密钥的安全性，增加了暴力破解 (Brute-force attack) 对每个可能密钥尝试攻破的时间，增强了攻击难度。各种编程语言原生库都提供了 key stretching 的实现。PBKDF2(Password-Based Key Derivation Function 2) 是常用的 key stretching 算法中的一种。基本原理是通过一个为随机函数 (例如 HMAC 函数)，把明文和盐值作为输入参数，然后重复进行运算最终产生密钥。

  1. 助记词句子作为密码；

  2. “mnemonic” + passphrase 作为盐；

  3. 2048 作为重复计算的次数+HMAC-SHA512 作为随机算法 , 最终得到 BIP32 种子，512 位 (64 字节) 是期望得到的密钥长度；

同时钱包还提供了 keystore 和密码基本功能

用户最好的体验仍然会是密码方式，所以钱包还提供了 keystore 让用户导出保存，这个 Keystore 也是私钥经过加密过后的一个文件，需要你自己设置的密码才能打开文件。这样的好处是就算 keystore 文件被盗，只要你额外设置的密码够长够随机，那么短时间内私钥也不会泄露，有充足的时间转移地址里面的加密货币到其他地址。Keystore 会存储在使用的设备里，这样每次登陆只用输入相应密码即可。

助记词相关：

私钥 = 算法1(助记词)

公钥 = 算法2(私钥)

公钥hash = 算法3(公钥)

地址 = 算法4(公钥hash)

所以

地址 = 算法4(算法3(算法2(算法1(助记词))))

其中算法1、2、3、4都是公开的

钱包的核心

打开钱包主要有一下几种方式:

  • 私钥(privatekey)
  • keystore+密码(keystore+password)
  • 助记词(mnemonic code)

Tips

一个简单的H2以太坊钱包的实现。https://github.com/w1ndyz/h2-wallet