深入比特币原理（二）——比特币密钥地址生成

【摘要】 比特币的安全性是由现代密码学所提供，其中最重要的既是比特币的密钥，下面我们来看一下比特币的密钥生成过程。 比特币地址实际上是公钥转换而来，而公钥实际上是由私钥转换得到，所以实际上一切的来源都是一个随机生成的私钥。

本章开始出现密码学内容，希望你不要就此被劝退，加油！

比特币的安全性是由现代密码学所提供，其中最重要的既是比特币的密钥，下面我们来看一下比特币的密钥生成过程。

比特币地址实际上是公钥转换而来，而公钥实际上是由私钥转换得到，所以实际上一切的来源都是一个随机生成的私钥。

step 1：通过操作系统随机数生成器生成一个随机数，并进行SHA256哈希运算（结果必须是1到n-1之间的任何数字，n=1.158 * 1077）

 该数字即为私钥最原始的内容，所以需要通过密码学安全的随机源中选出一串随机字节，以防暴力破解

 使用SHA256哈希运算是为了方便的产生一个固定长度为256位的数字，使用十六进制表示如下：

6954ac6d0402d7239f1cc150da224d0ef08fd1226f245f06fe4d6d68accfce8a

 step 2：如果使用压缩公钥，在私钥的结果后面增加0x01；若使用非压缩公钥，则不追加0x01

私钥的后缀01用于告诉钱包私钥对应的公钥和地址是压缩格式还是非压缩格式的。

 原因是同一私钥的压缩公钥与非压缩公钥是不同的，生成的地址也完全不同，也就是说会出现两个公钥和两个地址对应一个私钥的情况，如果没有标识，钱包无法将私钥与公钥和地址一一对应。

 本次使用压缩格式举例：

6954ac6d0402d7239f1cc150da224d0ef08fd1226f245f06fe4d6d68accfce8a01

 step 3：对私钥进行base58check编码，即转换为WIF（Wallet Import Format)格式

（1）在私钥前添加版本前缀，0x80为WIF前缀（详细见最后版本前缀列表）

806954ac6d0402d7239f1cc150da224d0ef08fd1226f245f06fe4d6d68accfce8a01

（2）将上面结果进行double-SHA256运算后取前四字节作为校验码拼接在最后，然后进行base58编码得到私钥的最终形态（非WIF压缩格式的结果前缀为5，WIF压缩格式的结果前缀为K或L）

KzkTe43L5cbSX64txJMcsFvJC6vov7nYaGdYicz5N8Mds4ThN2XM

 step 4：使用secp256k1椭圆曲线算法将私钥转换为公钥(Gx,Gy)

椭圆曲线算法是一种基于离散对数问题的非对称加密法，其数学运算是单向的，所以私钥可以转换成公钥，但公钥不能转换回私钥，将上面的结果转换后得到如下结果（十六进制）：

(0ba1ba3b8d8f7bd4a70828ec0e749dd26ee4cdd18d058c880afa121fad60e5b6,

 f2ee1b72d9b9a57706e5de72acc1378f92269086c4964c073593bf92d28c647d)

 step 5：将公钥合并成为十六进制数

压缩公钥可以大大节省公钥所占空间（减少256bits），是比特币客户端当前的默认格式，并且也兼容非压缩公钥

 未压缩（前缀04，将Gx,Gy拼接）：

040ba1ba3b8d8f7bd4a70828ec0e749dd26ee4cdd18d058c880afa121fad60e5b6f2ee1b72d9b9a57706e5de72acc1378f92269086c4964c073593bf92d28c647d

压缩（y为偶数前缀02，y为奇数前缀03，仅保留Gx，Gy可通过Gx计算）

030ba1ba3b8d8f7bd4a70828ec0e749dd26ee4cdd18d058c880afa121fad60e5b6

 step 6：将公钥转换为比特币地址

(1)RIPEMD160(SHA256(公钥))得出20字节/160 bits公钥哈希，使用两种Hash函数转换最大的好处是如果其中一种函数被破解，仍然能保证安全性。 

(2)对公钥哈希进行Base58check编码（版本前缀 + 公钥哈希 + SHA256(SHA256(版本前缀+公钥哈希))前4字节进行Base58编码)，此处为P2PKH地址，前缀为0x00，得到最终的比特币地址如下：
17FjrmErg5a39P7UsyYCchpyzSnq9gmMuJ

各版本前缀说明

最后放上一段Python代码GenerateKey.py，用于生产私钥、公钥与地址，需导入bitcoin模块

python代码：

import bitcoin

# Generate a random private key
valid_private_key = False
while not valid_private_key:
    private_key = bitcoin.random_key()
    decoded_private_key = bitcoin.decode_privkey(private_key, 'hex')
    compressed_private_key = private_key + '01'
    valid_private_key = 0 < decoded_private_key < bitcoin.N
print("Private Key (hex) is: ", private_key)
print("Private Key (decimal) is: ", decoded_private_key)
print("Private Key Compressed (hex) is: ", compressed_private_key)

# Convert private key to WIF format  bin_to_b58check(encode(priv, 256, 32)+b'x01', 128+int(vbyte))
wif_encoding_private_key = bitcoin.encode_privkey(decoded_private_key, 'wif')
wif_compressed_private_key = bitcoin.encode_privkey(decoded_private_key, 'wif_compressed')
print("Private Key(WIF) is: ", wif_encoding_private_key)
print("Private Key(WIF-Compressed) is: ", wif_compressed_private_key)

# Multiply the EC generator point G with the private key to get a public key point
public_key = bitcoin.privkey_to_pubkey(decoded_private_key)
print("Public Key (x,y) coordinates is:", public_key)

# Encode as hex, prefix 04
hex_encoded_public_key = bitcoin.encode_pubkey(public_key,'hex')
print("Public Key (hex) is:", hex_encoded_public_key)

# Compress public key, adjust prefix depending on whether y is even or odd
hex_compressed_public_key = bitcoin.encode_pubkey(public_key,'hex_compressed')
print("Public Key (hex) is:", hex_compressed_public_key)

# Generate compressed bitcoin address from compressed public key
print("Compressed Bitcoin Address (b58check) is:", bitcoin.pubkey_to_address(hex_compressed_public_key))

结果展示：

作者：Aaron