千里之堤毁于蚁穴(慎用HD Wallets)



  • 现在我们都该明白,无论怎样强调随机对于比特币的重要性都不为过,随机的确称得上是比特币的“命根子”。

    在过去的几篇文章中,小太已经介绍过了一些因随机问题可能导致私钥暴漏的情况,今天,我再跟大家聊聊分层确定性(Hierarchical Deterministic)钱包。

    HD Wallets因其“只需要一个主(根)私钥,就能生成海量子私钥”这个特性广受欢迎,在过去的一年里,越来越多的钱包解决方案和比特币企业开始支持或采用HD模型来进行私钥管理,可是,大部分人并未意识到其中可能存在的潜在风险。

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    HD模型的最大优点是不使用私钥就能生成大量的由您掌握的地址,其原理就在于直接通过主公钥就可以生成任意数量的子公钥,整个过程无需访问主私钥。这个特性有如下好处:

    1、备份容易,只需备份主私钥,新增地址无需再次备份私钥;
    2、保证主私钥的冷存储,无论新增多少个地址,仅需主公钥就能完成,无需主私钥介入;
    3、方便的第三方审计,只需给第三方机构或会计提供主公钥,他就可以看到所有下级地址的交易,但又不能花费任何币(因为没有子私钥);

    因为HD模型的这些好处,钱包解决方案和比特币企业就可以很方便的进行私钥管理。比如说,电子商务网站或交易所就可以在网站服务器上存放主公钥,然后按需新增子地址,对每个用户、每个商品甚至每笔交易都使用一个全新的比特币地址,而整个过程不会涉及冷存储的主私钥;再比如说,个人可以冷存储主私钥,在热设备上存放主公钥,就能方便的生成任意数量的地址,满足自己不断新增地址而又无需备份私钥的需求。

    但这些好处其实是有代价的,因为HD模型有一个天生的“缺陷”(无论是Type1、Type2、还是遵循BIP32规范的确定性钱包),那就是只要暴漏任何一个子私钥,再加上主公钥,就能反推出主私钥,这是“致命”的。

    也就是说,对于企业或个人,如果您使用HD模型管理私钥,出于方便的增加地址及第三方审计等目的,主公钥往往暴漏在外(主公钥的安全级别当然要远低于主私钥)。大家可能会认为,我们只要能安全的保管好私钥就足够了(比如说绝对冷存储主私钥,离线的使用子私钥签名交易等),但通过前几篇文章,您就该明白,如果使用了不够安全的随机数,签名交易也有可能会暴漏私钥。对于非HD解决方案来说,一个有问题的签名最多只会暴漏一个私钥,而在HD模型的情况下,任何一个子私钥的暴漏,都有可能导致主私钥的暴漏,最严重的情况下,整个树状的分层模型会整个崩塌,企业或个人的比特币资产也会全部丢失,这就是HD模型的最大风险。

    HD模型的“安全”与“易用”其实是个悖论,为了易用,我们希望无论新增多少个地址都无需备份私钥,这就需要热的(泄露概率高)主公钥,而为了安全,又必须保护好主公钥,否则任何一个子私钥的泄露,都能反推出主私钥。这显然是个矛盾,而如果发生潜在的随机数问题,又会放大这种矛盾。因此,在这里,我特别提醒大家谨慎使用HD模型。

    比特币的安全就在于随机,我们希望随机的生成一个个比特币私钥用来存币,希望使用随机的k值来签名交易。而HD Wallets的模型其实是基于一个唯一的(根)随机数来确定性的构建了整个分层级的、树状的私钥大厦(私钥和私钥间有着确定性的计算关系)。这座大厦,在没有遇到任何问题的时候,看起来也许是固若金汤,但任何一个小问题(如r值问题、内鬼盗窃等)的发生,都有可能导致整个大厦的崩塌。
    这也许就是传说中的“千里之堤毁于蚁穴”吧!

    最后,再说一句,尽量使用不相关(随机)的私钥解决方案吧,这才是比特币之本,比特币企业和个人应谨慎使用HD Wallets。

    小太关于随机这个系列的文章就暂告一段落了,必须再次提醒大家,随着安全专家和黑客对k值更为深入的分析,因不安全随机数导致的丢币未来可能会越来越多,如果企业和个人采用了HD方案,甚至有可能会放大这种灾难,随机理应引起业内人士的足够重视。

    看完这几篇文章,有人可能会担心“比特币到底安不安全?”。在这里,小太可以很负责的告诉您,直到今天(及可预计的未来),比特币很安全,比特币所依赖的椭圆曲线签名算法(ECDSA)也很安全,不安全的是一些有问题随机数生成器或技术解决方案,这些都与比特币无关。

    本系列文章要特别感谢 Nicolas, Pinar, Filippo 这三位大牛,他们最近发表的论文(https://eprint.iacr.org/2014/848.pdf)让小太收益良多。在该论文中,几位作者深入的解释了不安全随机数的风险及其对HD Wallets可能造成的灾难,该篇论文干货十足,值得每位从业者学习。


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