從零開始學習比特幣開發：建立錢包重要方法之填充金鑰池

資料庫區塊鏈開發 · 發表 2018-11-19 10:37:58

摘要：寫在前面建立錢包和交易是比特幣最重要的兩方面，涉及到很多很多的內容，遠非一篇文章能概括的完。前面兩篇分別從整體上講解了錢包的建立流程和建立私鑰/公鑰的流程，本篇講解填充金鑰池生成 HD 錢包的過程。嘔血之作，吐血推薦，對錢包感興趣的朋友一定不要錯誤。TopUpKeyPool 填充金鑰池 ...

寫在前面

建立錢包和交易是比特幣最重要的兩方面，涉及到很多很多的內容，遠非一篇文章能概括的完。前面兩篇分別從整體上講解了錢包的建立流程和建立私鑰/公鑰的流程，本篇講解填充金鑰池生成 HD 錢包的過程。嘔血之作，吐血推薦，對錢包感興趣的朋友一定不要錯誤。

TopUpKeyPool 填充金鑰池

本方法在第一次建立時會執行，在升級錢包到 HD 時，也會執行。它被用來填充金鑰池 keypool。下面我們來看下方法的執行。

如果標誌禁止私鑰，則返回假。

if (IsWalletFlagSet(WALLET_FLAG_DISABLE_PRIVATE_KEYS)) {
return false;
}

如果錢包被鎖定，則返回假。
```
if (IsLocked())
return false;
```

如果引數kpSize 大於0，則設定變數nTargetSize 為kpSize ；否則，設定為使用者指定的值，或預設的 1000。

unsigned int nTargetSize;
if (kpSize > 0)
nTargetSize = kpSize;
else
nTargetSize = std::max(gArgs.GetArg("-keypool", DEFAULT_KEYPOOL_SIZE), (int64_t) 0);

計算內部、外部可用的金鑰數量。

int64_t missingExternal = std::max(std::max((int64_t) nTargetSize, (int64_t) 1) - (int64_t)setExternalKeyPool.size(), (int64_t) 0);
int64_t missingInternal = std::max(std::max((int64_t) nTargetSize, (int64_t) 1) - (int64_t)setInternalKeyPool.size(), (int64_t) 0);

在使用者不指定的情況下，並且是第一次，因為setExternalKeyPool 、setInternalKeyPool 這兩個集合都為空，所以missingExternal 、missingInternal 兩個變數的值都為 1000。

如果不支援 HD 錢包，或者不支援 HD 分割，那麼設定變數missingInternal 為0。
```
if (!IsHDEnabled() || !CanSupportFeature(FEATURE_HD_SPLIT))
{
missingInternal = 0;
}
```

生成訪問資料庫的物件。

bool internal = false;
WalletBatch batch(*database);

進行for (int64_t i = missingInternal + missingExternal; i--;) 迴圈。
- 如果i 小於missingInternal ，則設定變數internal 為真。
```
if (i < missingInternal) {
internal = true;
}
```
- 設定當前索引。
```
int64_t index = ++m_max_keypool_index;
```
- 生成公鑰物件。
```
CPubKey pubkey(GenerateNewKey(batch, internal));
```
  GenerateNewKey 方法用來生成公鑰。我們來看下這個方法的執行流程。
  - 生成表示建立的公鑰是否為壓縮的變數fCompressed 。在 0.6 版本之後的公鑰預設都是壓縮的。
```
bool fCompressed = CanSupportFeature(FEATURE_COMPRPUBKEY);
```
  - 建立私鑰物件和金鑰元資料物件。這時候私鑰和金鑰元資料物件都沒有經過設定，還不能成為真正的私鑰和金鑰元資料，只有經過下面兩個方法中的某一個處理之後，才變成真正可用的物件。
```
CKey secret;
int64_t nCreationTime = GetTime();
CKeyMetadata metadata(nCreationTime);
```
  - 如果錢包支援 HD，那麼呼叫DeriveNewChildKey 方法來衍生子私鑰，否則，呼叫MakeNewKey 方法來生成私鑰。
```
if (IsHDEnabled()) {
DeriveNewChildKey(batch, metadata, secret, (CanSupportFeature(FEATURE_HD_SPLIT) ? internal : false));
} else {
secret.MakeNewKey(fCompressed);
}
```
    IsHDEnabled 是通過私鑰物件的hdChain.seed_id 物件是否為空來判斷的，因為在前面生成錢包私鑰之後，就設定了這個方法，所以這個方法一定返回真。
    MakeNewKey 這個方法，我們在前面建立錢包的私鑰時已經看到過，DeriveNewChildKey 這個方法我們在下面進行重點講解，這裡暫且略過。
  - 如果變數fCompressed 為真，則呼叫SetMinVersion 方法，設定最小版本為FEATURE_COMPRPUBKEY ，支援壓縮公鑰的版本。
```
if (fCompressed) {
SetMinVersion(FEATURE_COMPRPUBKEY);
}
```
  - 呼叫私鑰的GetPubKey 方法，返回對應的公鑰。方法內部使用橢圓曲線演算法求得公鑰。具體不細講，讀者自行看程式碼。
```
CPubKey CKey::GetPubKey() const {
assert(fValid);
secp256k1_pubkey pubkey;
size_t clen = CPubKey::PUBLIC_KEY_SIZE;
CPubKey result;
int ret = secp256k1_ec_pubkey_create(secp256k1_context_sign, &pubkey, begin());
assert(ret);
secp256k1_ec_pubkey_serialize(secp256k1_context_sign, (unsigned char*)result.begin(), &clen, &pubkey, fCompressed ? SECP256K1_EC_COMPRESSED : SECP256K1_EC_UNCOMPRESSED);
assert(result.size() == clen);
assert(result.IsValid());
return result;
}
```
  - 把金鑰元資料加入mapKeyMetadata 集合中。
```
mapKeyMetadata[pubkey.GetID()] = metadata;
```
  - 呼叫UpdateTimeFirstKey 方法，更新nTimeFirstKey 屬性。
```
UpdateTimeFirstKey(nCreationTime);
```
  - 呼叫AddKeyPubKeyWithDB 方法，把私鑰和公鑰儲存到資料庫中。這個方法在前面已經講過，這裡再講了。
```
if (!AddKeyPubKeyWithDB(batch, secret, pubkey)) {
throw std::runtime_error(std::string(__func__) + ": AddKey failed");
}
```
  - 返回公鑰。
- 用公鑰生成一個金鑰池實體CKeyPool 物件，並呼叫訪問錢包資料庫物件的WritePool 方法，以pool 為鍵把金鑰池實體物件寫入資料庫。
```
if (!batch.WritePool(index, CKeyPool(pubkey, internal))) {
throw std::runtime_error(std::string(__func__) + ": writing generated key failed");
}
```
- 如果變數internal 為真，則把索引儲存到setInternalKeyPool 集合中，否則，儲存到setExternalKeyPool 集合中。
```
if (internal) {
setInternalKeyPool.insert(index);
} else {
setExternalKeyPool.insert(index);
}
```
- 把索引儲存到m_pool_key_to_index 集合中。
```
m_pool_key_to_index[pubkey.GetID()] = index;
```
返回真。

DeriveNewChildKey 衍生新的子私鑰

這個方法用來衍生子金鑰。方法的邏輯如下：

生成相關的變數。

CKey seed;//seed (256bit)
CExtKey masterKey;//hd master key
CExtKey accountKey;//key at m/0'
CExtKey chainChildKey;//key at m/0'/0' (external) or m/0'/1' (internal)
CExtKey childKey;//key at m/0'/0'/<n>'

呼叫GetKey 方法，根據HD 鏈物件中儲存的公鑰物件來得到對應的私鑰物件。這個私鑰是根私鑰，也被稱為種子私鑰。如果獲得不到，則丟擲異常。
```
if (!GetKey(hdChain.seed_id, seed))
throw std::runtime_error(std::string(__func__) + ": seed not found");
```
GetKey 方法執行流程如下：
- 如果錢包沒有加密，則呼叫CBasicKeyStore::GetKey 方法，返回公鑰物件的私鑰。
```
if (!IsCrypted()) {
return CBasicKeyStore::GetKey(address, keyOut);
}
```
  CBasicKeyStore::GetKey 方法直接從mapKeys 集合中取出對應的私鑰。
  mapKeys 集合是我們前面分析DeriveNewSeed 這個方法的第 6 步AddKeyPubKey 這個方法中把私鑰/公鑰及元資料儲存到資料庫過程中設定的。
- 否則，直接從加密集合mapCryptedKeys 中取得對應的私鑰。
```
CryptedKeyMap::const_iterator mi = mapCryptedKeys.find(address);
if (mi != mapCryptedKeys.end())
{
const CPubKey &vchPubKey = (*mi).second.first;
const std::vector<unsigned char> &vchCryptedSecret = (*mi).second.second;
return DecryptKey(vMasterKey, vchCryptedSecret, vchPubKey, keyOut);
}
```
- 如果以上兩種情況都不能返回，那麼只能返回假了。
呼叫主私鑰（擴充套件私鑰）的SetSeed 方法，設定種子。此時的主私鑰只是一個物件，而不能當作真正的私鑰來使用，因為內部資料不存在。只有在本方法呼叫之後，主私鑰才能真正用來衍生金鑰。我們現在來看下SetSeed 方法的邏輯：
- 首先，生成需要的變數。
```
static const unsigned char hashkey[] = {'B','i','t','c','o','i','n',' ','s','e','e','d'};
std::vector<unsigned char, secure_allocator<unsigned char>> vout(64);
```
- 其次，呼叫CHMAC_SHA512 方法，使用HMAC_SHA512 演算法，根據種子私鑰生成長度為 512 位的字串。
```
CHMAC_SHA512(hashkey, sizeof(hashkey)).Write(seed, nSeedLen).Finalize(vout.data());
```
- 然後，呼叫私鑰的Set 方法，用 512 位的字串的左邊 256 位來初始化私鑰的keydata 屬性，並且設定私鑰的有效標誌fValid 屬性為真，壓縮標誌fCompressed 為引數指定的值，預設為真。
```
key.Set(vout.data(), vout.data() + 32, true);
```
- 呼叫memcpy 方法，把 512 位的字串的右邊 256 位儲存為鏈碼。
```
memcpy(chaincode.begin(), vout.data() + 32, 32);
```
- 設定主私鑰的nDepth 、nChild 為 0。
```
nDepth = 0;
nChild = 0;
```
- 把vchFingerprint 重置為 0。
```
memset(vchFingerprint, 0, sizeof(vchFingerprint));
```
至此，主私鑰終於可用了。
呼叫主私鑰（擴充套件私鑰）的Derive 方法，開始衍生子金鑰accountKey 。
```
masterKey.Derive(accountKey, BIP32_HARDENED_KEY_LIMIT);
```
注意，在 bip32 之後，採用硬化衍生子金鑰。
我們來看下Derive 這個方法的執行流程：
- 設定擴充套件私鑰out 引數的nDepth 為nDepth 加 1。主私鑰的nDepth 為 0，參見上面所講。
- 獲取主公鑰的 CKeyID。
```
 CKeyID id = key.GetPubKey().GetID();
```
- 設定置擴充套件私鑰out 引數的nChild 為引數_nChild 的值，這裡為0x80000000 ，10進製為 2147483648。
- 呼叫根私鑰的Derive 方法，開始衍生私鑰。
```
return key.Derive(out.key, out.chaincode, _nChild, chaincode);
```
  這個方法內部執行流程如下：
  - 生成一個向量。
```
std::vector<unsigned char, secure_allocator<unsigned char>> vout(64);
```
  - 把變數nChild 向右移動 31位，如果所得等於 0，那麼呼叫GetPubKey 方法，獲得私鑰對應的公鑰，然後呼叫BIP32Hash 方法，填充變數vout 。在BIP32Hash 方法中使用CHMAC_SHA512 方法，根據鏈碼引數和子金鑰數量來填充vout 變數。如果右移所得不等於0，同樣呼叫BIP32Hash 方法，填充變數vout 。
```
if ((nChild >> 31) == 0) {
CPubKey pubkey = GetPubKey();
assert(pubkey.size() == CPubKey::COMPRESSED_PUBLIC_KEY_SIZE);
BIP32Hash(cc, nChild, *pubkey.begin(), pubkey.begin()+1, vout.data());
} else {
assert(size() == 32);
BIP32Hash(cc, nChild, 0, begin(), vout.data());
}
```
  - 把變數vout 的內容拷貝到子鏈碼中。
```
memcpy(ccChild.begin(), vout.data()+32, 32);
```
  - 把私鑰的內容拷貝到子私鑰中。
```
memcpy((unsigned char*)keyChild.begin(), begin(), 32);
```
  - 使用橢圓曲線演算法真正初始化子私鑰。
```
bool ret = secp256k1_ec_privkey_tweak_add(secp256k1_context_sign, (unsigned char*)keyChild.begin(), vout.data());
```
  - 設定子私鑰為壓縮的，是否是有效的，並返回。
```
keyChild.fCompressed = true;
keyChild.fValid = ret;
return ret;
```
accountKey 私鑰（擴充套件私鑰）的Derive 方法，開始衍生子金鑰chainChildKey 。方法前面剛講過，此處略過。
```
accountKey.Derive(chainChildKey, BIP32_HARDENED_KEY_LIMIT+(internal ? 1 : 0));
```

接下來衍生子私鑰childKey ，與上面大致相同，可自行閱讀。

do {
if (internal) {
chainChildKey.Derive(childKey, hdChain.nInternalChainCounter | BIP32_HARDENED_KEY_LIMIT);
metadata.hdKeypath = "m/0'/1'/" + std::to_string(hdChain.nInternalChainCounter) + "'";
hdChain.nInternalChainCounter++;
}
else {
chainChildKey.Derive(childKey, hdChain.nExternalChainCounter | BIP32_HARDENED_KEY_LIMIT);
metadata.hdKeypath = "m/0'/0'/" + std::to_string(hdChain.nExternalChainCounter) + "'";
hdChain.nExternalChainCounter++;
}
} while (HaveKey(childKey.key.GetPubKey().GetID()));

設定變數secret 的值為子私鑰的childKey 。
```
secret = childKey.key;
```
設定變數metadata 的 HD 種子為當前 HD 鏈的的種子。
```
metadata.hd_seed_id = hdChain.seed_id;
```

更新 HD 鏈到資料庫中。

if (!batch.WriteHDChain(hdChain))
throw std::runtime_error(std::string(__func__) + ": Writing HD chain model failed");

從零開始學習比特幣開發：建立錢包重要方法之填充金鑰池

寫在前面

TopUpKeyPool 填充金鑰池

DeriveNewChildKey 衍生新的子私鑰

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