当前位置：首页 > news >正文

区块链的两个核心概念之一签名，另一个是共识.

news 文章来源：https://blog.csdn.net/gridlayout/article/details/133744940 2025/4/29 8:02:34

Alice的公私钥，签名和验证签名仅仅确定了Alice对数字资产A所有权的宣言. 之后, Bob也可以用自己的私钥对资产A进行签名宣誓所有权。区块链中叫双花，即重复宣称所有权，也称重复花费交易。这时候需要共识算法(集体成员pow或委员会代表pos监督数据的变化,达成一致意见即共识)去确保数据的唯一性和不可逆。

大话密码技术（五）数字签名与数字证书原理 - 知乎

证书是为了解决公钥派送过程中被拦截的问题. 即保证公钥在传递过程中没有被替换.

数字签名流程中接收者需要用公钥验签发送者的签名，若中间人用自己的公钥替换了发送者的公钥，则他就可以用自己的私钥签名信息，而接受者使用被攻击者替换的公钥验签数据就可以被通过。为了解决公钥派送问题，可以通过数字证书来对发送者的公钥做认证。

找一个第三方公认机构对公钥进行签名.

1 数字签名

　　数字签名是使用hash算法与公钥加密技术实现，用于鉴别数字信息真实性和不可抵赖性的方法。它有以下几个特征：
（1）报文鉴别：接收者能校验发送者对报文的签名
（2）报文完整性：接收者不能伪造报文签名或更改报文内容
（3）不可抵赖：发送者事后不能抵赖对报文的签名

　　数字签名流程如下：

接下来分析该流程是否符合以上三个特征
（1）报文鉴别：数字签名中的私钥具有唯一性，除签名者之外都不能伪造签名，并防止被假冒
（2）报文完整性：由于数字签名中包含hash算法，对签名文档的任何未经授权的修改将立即被显见
（3）不可抵赖性：由于报文经过了发送者的私钥签名，他人无法获取其私钥，故无法伪造其签名，因此发送者也无法抵赖

2 数字证书
　　数字签名流程中接收者需要用公钥验签发送者的签名，若中间人用自己的公钥替换了发送者的公钥，则他就可以用自己的私钥签名信息，而接受者使用被攻击者替换的公钥验签数据就可以被通过。为了解决公钥派送问题，可以通过数字证书来对发送者的公钥做认证。

2.1 数字证书的构成
数字证书格式遵循ITUTX.509标准，X509证书包含以下内容：
（1）证书版本
（2）证书序列号
（3）证书所使用的签名算法
（4）证书的发行机构名称，一般采用X500格式
（5）证书的有效期，通常采用UTC时间
（6）证书所有人名称，一般采用X500格式
（7）证书所有人的公钥
（8）证书发行者对证书的签名

2.2 数字证书的颁发

　　数字证书是由数字证书认证中心（CA）颁发，用于认证证书持有者身份的，其核心是使用认证中心的私钥对证书申请人身份（主要是公钥）进行签名认证。认证中心可以形成以下的层级结构，即根证书认证机构可为二级认证机构颁发证书，二级认证机构可为三级认证机构颁发证书，同时他们都可以为用户颁发证书。

　　本质上，数字证书是数字证书认证中心对证书申请者的信息和公钥做签名，以自身的权威性为其身份做背书。　　
　　以上数字证书的层级结构叫做数字证书链，其中顶层的证书被称为根证书，它是由根证书中心自签名的。在验证数字证书时可按照该证书链逐级验证证书的合法性。根证书的合法性是由其自身保证的，因此一般会被预先安装到操作系统或浏览器等软件中。

2.3 数字证书CRL和OCSP

　　数字证书在颁发时即设置了有效时间，但若需要在有效时间内撤销证书，则可向证书颁发机构申请撤销证书，证书被撤销后将被保存到证书撤销列表（CAL）中。
　　证书验证时需要验证其是否位于证书撤销列表中，OCSP（在线证书状态协议）就是用于在线查询证书状态的。

根据X509标准，CRL的内容如下：
（1）版本
（2）签名算法
（3）签发者
（4）更新时间
（5）下一次更新时间
（6）废止的证书列表
（7）用户证书序列号
（8）废止时间
（9）CRL入口扩展

2.4 数字证书相关文件格式

　　在数字证书申请和使用流程中，有几种常见的文件格式：
（1）der格式证书：.cer，.crt
（2）pem格式证书：.pem
（3）pkcs12格式：.pfx，.p12
（4）pkcs10证书申请格式：.p10
（5）pkcs7证书申请应答格式：.p7r
（6）pkcs7二进制格式：.p7b

2.5 创建自己的CA

　　所有公司都可以颁发数字证书，公司颁发的证书不一定能在国际上得到广泛认可。但若在自己生产的终端中安装自己建立的CA根证书，则可以建立自身的CA信任链。

３. 密钥交换

　　非对称加解密公钥可以公开交换，但其加解密速度比对称加解密慢得多（大概为几百分之一）。而对称加解密双方的密钥若通过明文传输，则很容易受到中间人攻击，因此需要采用特定的方法实现双方密钥的交换。

３.1 PSK密钥交换

　　PSK方案通信双方使用预先共享的密钥进行通信，以下为汽车网络安全项目EVITA中一个PSK方案的例子。

　　上图每个ecu都将其密钥预置到keymaster中，在需要通信时，keymaster产生一个session key，并分别用ecu1的密钥k1加密后发给ecu1，用ecu2的密钥k2加密后发给ecu2。ecu1和ecu2接收到信息后用各自的密钥解密后得到session key，此后双方可使用该session key实现加密通信。

３.2 非对称方式密钥交换

　　该方法通信双方需要先交换公钥，在通信前用非对称算法进行session密钥协商。即通信一方使用随机数创建一个密钥，然后用自己的私钥加密后发送给对方，接收方用发送方的公钥解密出密钥后。双方可使用该session key执行加密通信。
　　TLS通信方式的基础即是上述方式，只是其中增加了通过数字证书进行身份认证，以及使用更复杂的密钥协商策略等。

３.3 DH算法密钥交换

　　DH算法是一种密钥交换算法，它可以在双方不直接传递密钥的情况下完成密钥交换。其流程如下图所示：

1 Alice选择一个素数p，底数g和随机数a，并执行如下计算

   A = g^a mod p

2 Alice把p，g和A发送给Bob
3 Bob接收到数据后，选择一个随机数b，并执行以下计算

  B = g ^b mod ps = A^b mod p

4 Bob将B发送给Alice
5 Alice执行如下计算

   B^a mod p
= (g^b mod p)^a mod p
= g^ab mod p
= (g^a mod p)^b mod p
= A^b mod p
= s

6 因此Alice和Bob都计算得到了共享密钥s，此后可以用该密钥进行加密通信

理解开发HD 钱包涉及的 BIP32、BIP44、BIP39 | 登链社区 | 区块链技术社区

理解开发HD 钱包涉及的 BIP32、BIP44、BIP39

如果你还在被HD钱包(分层确定性钱包)、BIP32、BIP44、BIP39搞的一头雾水，来看看这边文章吧。

数字钱包概念

钱包用来存钱的，在区块链中，我们的数字资产都会对应到一个账户地址上，只有拥有账户的钥匙（私钥）才可以对资产进行消费（用私钥对消费交易签名）。
私钥和地址的关系如下：

（图来自精通比特币）
一句话概括下就是：私钥通过椭圆曲线生成公钥，公钥通过哈希函数生成地址，这两个过程都是单向的。

因此实际上，数字钱包实际是一个管理私钥（生成、存储、签名）的工具，注意钱包并不保存资产，资产是在链上的。

如何创建账号

创建账号关键是生成一个私钥，私钥是一个32个字节的数， 生成一个私钥在本质上在1到2^256之间选一个数字。
因此生成密钥的第一步也是最重要的一步，是要找到足够安全的熵源，即随机性来源，只要选取的结果是不可预测或不可重复的，那么选取数字的具体方法并不重要。

比如可以掷硬币256次，用纸和笔记录正反面并转换为0和1，随机得到的256位二进制数字可作为钱包的私钥。

从编程的角度来看，一般是通过在一个密码学安全的随机源(不建议大家自己去写一个随机数)中取出一长串随机字节，对其使用SHA256哈希算法进行运算，这样就可以方便地产生一个256位的数字。

实际过程需要比较下是否小于n-1（n = 1.158 * 10^77, 略小于2^256），我们就有了一个合适的私钥。否则，我们就用另一个随机数再重复一次。这样得到的私钥就可以根据上面的方法进一步生成公钥及地址。

BIP32

钱包也是一个私钥的容器，按照上面的方法，我们可以生成一堆私钥（一个人也有很多账号的需求，可以更好保护隐私），而每个私钥都需要备份就特别麻烦的。

最早期的比特币钱包就是就是这样，还有一个昵称：“Just a Bunch Of Keys(一堆私钥)“

为了解决这种麻烦，就有了BIP32 提议：根据一个随机数种子通过分层确定性推导的方式得到n个私钥，这样保存的时候，只需要保存一个种子就可以，私钥可以推导出来，如图：

（图来自精通比特币）上图中的孙秘钥就可以用来签发交易。

补充说明下 BIP: Bitcoin Improvement Proposals 比特币改进建议, bip32是第32个改进建议。
BIP32提案的名字是：Hierarchical Deterministic Wallets，就是我们所说的HD钱包。

来分析下这个分层推导的过程，第一步推导主秘钥的过程：

推导主秘钥的过程

根种子输入到HMAC-SHA512算法中就可以得到一个可用来创造主私钥(m) 和一个主链编码（ a master chain code)这一步生成的秘钥（由私钥或公钥）及主链编码再加上一个索引号，将作为HMAC-SHA512算法的输入继续衍生出下一层的私钥及链编码，如下图：

衍生推导的方案其实有两个：一个用父私钥推导（称为强化衍生方程），一个用父公钥推导。同时为了区分这两种不同的衍生，在索引号也进行了区分，索引号小于2^31用于常规衍生，而2^31到2^32-1之间用于强化衍生，为了方便表示索引号i'，表示2^31+i。

因此增加索引（水平扩展）及通过子秘钥向下一层（深度扩展）可以无限生成私钥。

注意，这个推导过程是确定（相同的输入，总是有相同的输出）也是单向的，子密钥不能推导出同层级的兄弟密钥，也不能推出父密钥。如果没有子链码也不能推导出孙密钥。现在我们已经对分层推导有了认识。

一句话概括下BIP32就是：为了避免管理一堆私钥的麻烦提出的分层推导方案。

秘钥路径及BIP44

通过这种分层（树状结构）推导出来的秘钥，通常用路径来表示，每个级别之间用斜杠 / 来表示，由主私钥衍生出的私钥起始以“m”打头。因此，第一个母密钥生成的子私钥是m/0。第一个公共钥匙是M/0。第一个子密钥的子密钥就是m/0/1，以此类推。

BIP44则是为这个路径约定了一个规范的含义(也扩展了对多币种的支持)，BIP0044指定了包含5个预定义树状层级的结构：
m / purpose' / coin' / account' / change / address_index
m是固定的, Purpose也是固定的，值为44（或者 0x8000002C）
Coin type
这个代表的是币种，0代表比特币，1代表比特币测试链，60代表以太坊
完整的币种列表地址：https://github.com/satoshilabs/slips/blob/master/slip-0044.md
Account
代表这个币的账户索引，从0开始
Change
常量0用于外部(收款地址)，常量1用于内部（也称为找零地址）。外部用于在钱包外可见的地址（例如，用于接收付款）。内部链用于在钱包外部不可见的地址，用于返回交易变更。 (所以一般使用0)
address_index
这就是地址索引，从0开始，代表生成第几个地址，官方建议，每个account下的address_index不要超过20

根据 EIP85提议的讨论以太坊钱包也遵循BIP44标准，确定路径是m/44'/60'/a'/0/n
a 表示帐号，n 是第 n 生成的地址，60 是在 SLIP44 提案中确定的以太坊的编码。所以我们要开发以太坊钱包同样需要对比特币的钱包提案BIP32、BIP39有所了解。

一句话概括下BIP44就是：给BIP32的分层路径定义规范

BIP39

BIP32 提案可以让我们保存一个随机数种子（通常16进制数表示），而不是一堆秘钥，确实方便一些，不过用户使用起来(比如冷备份)也比较繁琐，这就出现了BIP39，它是使用助记词的方式，生成种子的，这样用户只需要记住12（或24）个单词，单词序列通过 PBKDF2 与 HMAC-SHA512 函数创建出随机种子作为 BIP32 的种子。

可以简单的做一个对比，下面那一种备份起来更友好：

// 随机数种子
090ABCB3A6e1400e9345bC60c78a8BE7
// 助记词种子
candy maple cake sugar pudding cream honey rich smooth crumble sweet treat

使用助记词作为种子其实包含2个部分：助记词生成及助记词推导出随机种子，下面分析下这个过程。

生成助记词

助记词生成的过程是这样的：先生成一个128位随机数，再加上对随机数做的校验4位，得到132位的一个数，然后按每11位做切分，这样就有了12个二进制数，然后用每个数去查BIP39定义的单词表，这样就得到12个助记词，这个过程图示如下：

过程图

（图来源于网络）

下面是使用bip39生成生成助记词的一段代码：

var bip39 = require('bip39')
// 生成助记词
var mnemonic = bip39.generateMnemonic()
console.log(mnemonic)

助记词推导出种子

这个过程使用密钥拉伸（Key stretching）函数，被用来增强弱密钥的安全性，PBKDF2是常用的密钥拉伸算法中的一种。
PBKDF2基本原理是通过一个为随机函数(例如 HMAC 函数)，把助记词明文和盐值作为输入参数，然后重复进行运算最终产生生成一个更长的（512 位）密钥种子。这个种子再构建一个确定性钱包并派生出它的密钥。

密钥拉伸函数需要两个参数：助记词和盐。盐可以提高暴力破解的难度。盐由常量字符串 "mnemonic" 及一个可选的密码组成，注意使用不同密码，则拉伸函数在使用同一个助记词的情况下会产生一个不同的种子，这个过程图示图下:

过程图

（图来源于网络）

同样代码来表示一下：

var hdkey = require('ethereumjs-wallet/hdkey')
var util = require('ethereumjs-util')var seed = bip39.mnemonicToSeed(mnemonic, "pwd");
var hdWallet = hdkey.fromMasterSeed(seed);var key1 = hdWallet.derivePath("m/44'/60'/0'/0/0");
console.log("私钥："+util.bufferToHex(key1._hdkey._privateKey));var address1 = util.pubToAddress(key1._hdkey._publicKey, true);
console.log("地址："+util.bufferToHex(address1));
console.log("校验和地址："+ util.toChecksumAddress(address1.toString('hex')));

校验和地址是EIP-55中定义的对大小写有要求的一种地址形式。

密码可以作为一个额外的安全因子来保护种子，即使助记词的备份被窃取，也可以保证钱包的安全（也要求密码拥有足够的复杂度和长度），不过另外一方面，如果我们忘记密码，那么将无法恢复我们的数字资产。

一句话概括下BIP39就是：通过定义助记词让种子的备份更友好

我为大家录制了一个视频：以太坊去中心化网页钱包开发，从如何创建账号开始，深入探索BIP32、BIP44、BIP39等提案，以及如何存储私钥、发送离线签名交易和Token。

小结

HD钱包（Hierarchical Deterministic Wallets）是在BIP32中提出的为了避免管理一堆私钥的麻烦提出的分层推导方案。
而BIP44是给BIP32的分层增强了路径定义规范，同时增加了对多币种的支持。
BIP39则通过定义助记词让种子的备份更友好。

目前我们的市面上单到的以太币、比特币钱包基本都遵循这些标准。