pybitcointools源码分析之BIP32实现

2017/08/30

在看本篇之前,需要了解一个很重要的背景知识。那就是 HD钱包和 比特币协议 BIP32

关于HD钱包的概念,建议大家去看看«精通比特币»。BIP32可以看下下面这篇翻译:

http://blog.csdn.net/pony_maggie/article/details/76178228


开始源码分析。

master = bip32_master_key(safe_from_hex("000102030405060708090a0b0c0d0e0f"))

safe_from_hex把字符串形式的16进制数字转换成byte形式, 例如”1234”->b”\x12\x34”。 比较简单不详述。

bip32_master_key函数是用于产生符合bip32的主密钥。那边问题来了,什么是 bip32的主密钥呢?

根据bip32约定,主密钥是从一个短种子值生成的,步骤如下:

  • 从(P)RNG生成所选长度(128到512位;建议256位)的种子字节序列S。

  • 计算I = HMAC-SHA512(Key =“Bitcoin seed”,Data = S)

  • 将I分为两个32字节序列,IL和IR。

  • 使用parse256(IL)作为主密钥,IR作为主链码。


有了上面的理论支撑,再来看代码就比较容易理解了。

def bip32_master_key(seed, vbytes=MAINNET_PRIVATE):
    I = hmac.new(from_string_to_bytes("Bitcoin seed"), seed, hashlib.sha512).digest()

    return bip32_serialize((vbytes, 0, b'\x00'*4, 0, I[32:], I[:32]+b'\x01'))

I是hmac-sha512算法计算得到的,用的key是”Bitcoin seed”,data是前面传过来的短种子值:

b"\x00\x01\x02\x03\x04\x05\x06\x07\x08\x09\x0a\x0b\x0c\x0d\x0e\x0f"

I[32:]就是IR, I[:32]是IL。根据规范IL就可以作为主密钥了,那bip32_serialize是干啥的呢?

原来是为了方便表示,bip32引入序列化的概念,过程如下:

  • 4字节:版本字节(mainnet:0x0488B21E public,0x0488ADE4 private; testnet:0x043587CF public,0x04358394 private)

  • 1字节:深度:主节点为0x00,级别1派生密钥为0x01。

  • 4字节:父密钥的指纹(如果主密钥为0x00000000)

  • 4字节:子数字。这是对于i在xi = xpar / i中的ser32(i),其中xi是键序列化。 (如果主密钥为0x00000000)

  • 32字节:链码

  • 33字节:公钥或私钥数据(公钥的serP(K),私钥的0x00   ser256(k))

可以通过首先添加32个校验和位(从双SHA-256校验和派生),然后转换为Base58表示。

bip32_serialize入参有六个,我们可以和上面一一对应下,

vbytes是版本字节,0x0488ADE4。

0表示深度,这里是主密钥,深度表示为0。

b’\x00’*4在python中就是b’\x00\x00\x00\x00’,对应父密钥的指纹。

接下来的0对应子数字,在bip32_serialize函数里会转为4字节。

I[32:]也叫IR,对应链码。

I[:32]+b’\x01’,33字节对应私钥数据(这里是私钥)。

进入bip32_serialize里面,

def bip32_serialize(rawtuple):
    vbytes, depth, fingerprint, i, chaincode, key = rawtuple
    i = encode(i, 256, 4)

    keydata = b'\x00'+key[:-1] if vbytes in PRIVATE else key
    bindata = vbytes + from_int_to_byte(depth % 256) + fingerprint + i + chaincode + keydata

    return changebase(bindata+bin_dbl_sha256(bindata)[:4], 256, 58)

i的值是0, i = encode(i, 256, 4)把0转换为b’\x00\x00\x00\x00’。

keydata是就是公钥或者私钥数据(这里是私钥)。

最后拼接然后转换为base58表示。


下面看看如何用主密钥衍生出第一个子密钥。

bip32_ckd(master, "0")

参数0是一个索引值,表示第一个子密钥。

def bip32_ckd(data, i):
    return bip32_serialize(raw_bip32_ckd(bip32_deserialize(data), i))

bip32_serialize这个之前说过了,bip32_deserialize很明显是相对的,反序列化。就是把主密钥再变回元组的表示。

所以核心的函数是raw_bip32_ckd。在分析这个函数之前还是要先来点理论知识,看看BIP32里对于主密钥(私钥)衍生子密钥是怎么说的,

函数CKDpriv((kpar,cpar),i)→(ki,ci)从父扩展私钥计算子扩展私钥:

  1. 检查 是否 i ≥ 2^31(子私钥)。

    如果是(硬化的子密钥):让I= HMAC-SHA512(Key = cpar,Data = 0x00   ser256(kpar)   ser32(i))。 (注意:0x00将私钥补齐到33字节长。)
    如果不是(普通的子密钥):让I= HMAC-SHA512(Key = cpar,Data = serP(point(kpar))   ser32(i))。
  2. 将I分为两个32字节序列,IL和IR。

  3. 返回的子密钥ki是parse256(IL)+ kpar(mod n)。

  4. 返回的链码ci是IR。

如果parse256(IL)≥n或ki = 0,则生成的密钥无效,并且应继续下一个i值。 (注:概率低于1/2127)

def raw_bip32_ckd(rawtuple, i):
    vbytes, depth, fingerprint, oldi, chaincode, key = rawtuple
    i = int(i)

    if vbytes in PRIVATE:
        priv = key
        pub = privtopub(key)
    else:
        pub = key

    if i >= 2**31:
        if vbytes in PUBLIC:
            raise Exception("Can't do private derivation on public key!")
        I = hmac.new(chaincode, b'\x00'+priv[:32]+encode(i, 256, 4), hashlib.sha512).digest()
    else:
        I = hmac.new(chaincode, pub+encode(i, 256, 4), hashlib.sha512).digest()

    if vbytes in PRIVATE:
        newkey = add_privkeys(I[:32]+B'\x01', priv)
        fingerprint = bin_hash160(privtopub(key))[:4]
    if vbytes in PUBLIC:
        newkey = add_pubkeys(compress(privtopub(I[:32])), key)
        fingerprint = bin_hash160(key)[:4]

    return (vbytes, depth + 1, fingerprint, i, I[32:], newkey)

代码比较简单,都是按照协议的流程编写的。这里只需要特别说明密钥指纹(fingerprint)的计算规则,

fingerprint = bin_hash160(privtopub(key))[:4]

根据BIP32,扩展密钥可以由序列化的ECSDA公钥K的Hash160(SHA256之后的RIPEMD160)标识。


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