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星火链网RFC-003：星火链网BID生成规则和地址容量标准 #3

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jackma-cloud commented 2 years ago

什么是星火链网的BID？ BID是如何生成的？公私钥的展示模型是什么样的？ BID地址的碰撞几率有多大？在星火链网中，地址的容量是多少；

生命周期

提出：2021-12-07 演示：2021-12-07 接受：2021-12-07 通过：2021-12-07

maruolong commented 2 years ago

提出通过，进入演示阶段。

jackma-cloud commented 2 years ago

1. 序言

编号：RFC-003

类型：RFC

标题：星火链网BID标识生成规范和地址容量标准

作者：魏星，weixing3@caict.ac.cn

发布时间：2021-12-07

状态：接受

更新时间：2021-12-07

讨论地址：https://github.com/CAICT-DEV/BIF-RFCs/issues/3

依赖RFC：无

2. 摘要

本文介绍星火链网BID标识生成规范和地址容量标准。

3. 动机

作为区块链分布式系统，星火链网是如何给每一个节点、账号分配唯一的BID标识，以及详细的产生过程？这篇rfc就是为了解释这些问题而存在的，同时也将解释星火链网BID地址容量的相关问题。

4. 原理

星火标识BID（Blockchain-based Identifier，简称BID）,是星火·链网的数据载体，也是星火链底层支持的原生地址，同时BID还是分布式身份标识符DID的一个method。

1. BID生成规则

BID的组成结构如下： image-20211206163837375

由前缀Prefix、ACSN(Autonomous Consensus System Number)-简称AC号、加密类型、编码类型、后缀组成。具体规范参见BID规范。

1. BID地址生成流程描述

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第一步，生成原始公私钥对

根据加密算法类型生成原始的公私钥对。

第二步，计算原始公钥的哈希

根据第一步生成的原始公私钥对，对原始公钥进行哈希运算，得到一个固定长度的输出摘要（256-bit/32-Byte）。原始公私钥对的生成算法不同，对应的哈希算法也不同，具体如下：

  1. SM2对应的哈希算法是SM3

  2. ED25519或者Secp256k1对应的哈希算法是SHA-256

第三步，生成编码

根据编码类型得到要截取的哈希长度和编码算法类型，截取上一步生成的哈希，然后进行编码生成相应的字节数组。

第四步，添加编码类型

在上一步编码完成之后的字节数组前面添加编码类型，生成新的字节数组。

第五步，添加加密算法类型前缀

在上一步的字节数组前面添加加密类型，生成新的字节数组。

第六步，添加AC号

若生成的是主链的BID，跳过这一步；若生成的为子链的BID,在上一步的字节数组前面添加相应的AC号 + ‘:’。

第七步，添加Prefix前缀

Prefix是个固定字符串值"did:bid:"，上一步的结果加上此前缀后即为BID的最终值。

2. BID私钥生成流程描述

7777

第一步，生成原始公私钥对

根据加密算法类型生成原始的公私钥对。此步骤没有具体列出，具体请参见BID地址生成流程描述中的第一步

第二步，添加前缀地址编码类型

在原始私钥前添加地址编码类型前缀，目前支持的地址编码类型请参见什么是BID标题正文中介绍的编码类型。

注意：此地址编码类型为BID地址编码类型，非生成私钥的最后一步Base58编码类型，两者并无直接相关关系。

第三步，添加前缀加密类型

上一步生成的结果基础上添加前缀加密类型，目前支持的加密编码类型请参见什么是BID标题正文中介绍的加密类型。

第四步，添加前缀Prefix

第三步的结果之上再次添加前缀Prefix。Prefix是三个字节0x18、0x9E、0X99,此固定字符串在Base58编码后生成固定字符串（pri）,目的是为了方便用户观察和使用。

第五步，Base58编码

经过前四个步骤后，得到一个新的字符数组。对这个字符数组进行Base58编码后即得到最终的私钥。

3. BID公钥生成流程描述

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第一步，生成原始公私钥对

根据加密算法类型生成原始的公私钥对。此步骤没有具体列出，具体请参见BID地址生成流程描述中的第一步

第二步，添加前缀地址编码类型

在原始公钥前添加地址编码类型前缀，目前支持的地址编码类型请参见什么是BID标题正文中介绍的编码类型。

注意：此地址编码类型为BID地址编码类型，非生成私钥的最后一步Base16编码类型，两者并无直接相关关系。

第三步，添加前缀加密类型

上一步生成的结果基础上添加前缀加密类型，目前支持的加密编码类型请参见什么是BID标题正文中介绍的加密类型。

第四步，添加前缀Prefix

第三步的结果之上再次添加前缀Prefix。Prefix是一个字节，值为0xb0,目的是为了方便用户观察和使用。

第五步，Base16编码

经过前四个步骤后，得到一个新的字符数组。对这个字符数组进行Base16编码后即得到最终的公钥。

2 BID地址容量分析

BID关于地址碰撞

比特币地址碰撞

分析如何碰撞比特币地址

拿全零地址："1111111111111111111114oLvT2"举例。

仅随机碰撞出该地址对应的公钥是没有意义的。因为比特币交易需要私钥签名才有效。所以，如果你想使用这个地址里的比特币，前提是拥有这个地址对应公钥的私钥。需要：

· 随机生成一个私钥。

· 计算该私钥对应的公钥.

· 用公钥算出比特币地址。

· 与目标地址对比，看看是否一致。

· 如果不一致，回到第1步。

根据比特币地址理论总数，容易的看出，单次碰撞成功的理论概率是：

1 / ( 2160 ) //"2160"意思是2的160次方，由于每次碰撞至少需要3次SHA-256运算。当前比特币全网每秒的算力（ E =(130 EH/s) 1.3*1020为当前比特币全网算力，比特币算力统计链接https://btc.com/）进行破解。那么，每秒碰撞该地址成功的概率：

( 1 / ( 2160 ) ) ( 1.3 1020) / 3

= 1 / ( 2.964987 * 1029)

若当前比特币地址为2700万，则碰撞概率为：

= 1 / ( 1.0981433 * 1022)

对于现有2700万的地址破解成功需要3.48 * 1014年

若当前比特币地址为千亿，则碰撞概率为：

= 1 / ( 2.964987 * 1018)

破解成功需要7.28 * 1010年

IPV6地址重复度问题

IPV6地址容量为128位，总体容量为2的128次方，被碰撞的概率为2的128次方分之一，若用当前比特币全网每秒的算力（ E =(130 EH/s) 1.3 1020去计算碰撞一亿级别的地址，需4.4 1010年，碰撞千亿级别的地址，需4.4*1013年。

BID地址碰撞

BID地址的可变为22字节，则为176位，总体容量为2的176次方，被碰撞的概率为2的176次方分之一，若用当前比特币全网每秒的算力（ E =(130 EH/s) 1.3 1020去计算碰撞千亿级别的地址，需6.16 1015年。

BID地址容量分析报告

类型 长度 地址容量 位数 单个碰撞概率 现有地址数量 碰撞速度 碰撞耗时
比特币 20字节 2160 160 1/2160 2700万 130EH/s 3.48*1014年
IPV6 16字节 2160 128 1/2128 1亿 130EH/s 4.4*1010年
BID(Old) 20字节 2160 160 1/2160 千亿 130EH/s 9.4*1010年
BID(New) 22字节 2176 176 1/2176 千亿 130EH/s 6.16*1015年

报告分析：

1、若将BID地址容量扩展到比特币地址的1000倍需要增加10位，由于10位超过了一个字节的长度，则需要增加2个字节的空间即22个字节（176bit），BID地址容量实际增加了65536**倍比特币地址的容量。

2、当BID地址长度为22字节时，以碰撞千亿级别容量的BID地址为例，当拥有比特币全网算力（130EH/s）的情况下，能够碰撞成功需要花费 6.16* 1015年，这个年限比地球存在的年限（45亿年）都还要长。

地址的具体生成原理请参照第四章地址生成过程和原理，关于地址碰撞概率计算请参照第四章地址碰撞概率。

5. 规范

BID规范

BID的前缀，为固定字符串“did:bid:”，其中bid:did小写。

小写字母或数字组成的四位代码,星火链主链上的BID没有AC号，子链上的BID在前缀后缀之间增加子链的AC号,用于区分同一私钥控制的同一账户在不同子链上的地址。

AC号是星火·链网中代表子链合法性的唯一代码，是由骨干节点申请超级节点签发的子链身份代码（简称链码）。链码申请时，骨干节点需要递交子链所属行业、子链名称、slogen、介绍、设备指纹信息、路由地址(包括设备IP、端口)等，超级节点审核通过后向骨干节点签发带有超级节点签名的链码，子链通过AC号生成其BID标识，实现整个链群中的寻址功能。

生成BID原始公私钥对的加密算法类型，用一个小写字母表示，目前支持的加密类型有国际密码算法ED25519、Secp256k1和国密算法SM2，具体加密类型和公私钥对加密算法的映射关系如下表：

加密类型 公私钥支持算法
‘e’ ED25519
‘z’ SM2
‘s’ Secp256k1
其他小写字母 预留待扩展

后缀的编码算法和截取公钥哈希的长度，用一个小写字母表示，目前支持Base58、Bech32和Base64三种编码算法，截取公钥哈希的长度为22字节。具体编码方式和公钥哈希长度和编码类型的映射关系见下表：

编码类型 编码方式 截取公钥哈希长度
‘f’ Base58 22
‘s’ Base64 22
‘t’ Bech32 22
其他小写字母 预留待扩展 预留待扩展

公钥经过哈希算法之后截取， 然后再进行编码后得到的字符串，不同的编码方式生成的后缀长度和格式不同。编码类型为‘t’生成的后缀字母全为小写，其他两种类型生成的字母区分大小写。

不同类型的编码方式生成的后缀长度不同，以Base58编码方式生成的后缀长度为22-31字节，Base64编码方式生成的后缀长度长度为32字节，Bech32编码方式生成的后缀长度长度为42字节。

星火链BID地址的包括前缀、AC号、加密类型、编码类型、后缀，最终的长度范围为32-57个字节。

image-20211206165623575

在生成私钥和公钥后可以进一步通过算法生成地址。生成地址包含以下步骤：

1、通过 ED25519 算法对raw private key进行处理生成32位的字节数组，即 raw public key。例如私钥为 privfBrqvDdhNK978UpDpCTtmCX5ymUE7Le2PS1uPxVcubdrM，其raw public key 十六进制如下所示：

0xd308378e6b5ff0c2b4be3da741538004525d6388e5df32deb79e2b0c02f133c7

2、对 raw public key 进行一次 SHA256 运算，并取运算结果的后22个字节，得到字节数组，如下所示：

0xc6fd8f46575a3b142f16691b522e07a3cb1d5c1a16da

3、前缀加上1个字节的加密类型（Version），得到新的字节数组，如下所示：

0x01c6fd8f46575a3b142f16691b522e07a3cb1d5c1a16da

4、对第3步中产生的字节数组进行Base58编码，需要加入前缀did:bid等，如下所示：

did:bid: 38VPR182Y4uTkq32fykXjbKBPdQZutH

至此就完成了地址的生成。

6. 实现

名词/ 链接 实现说明
bif 星火链网的源代码中，有BID生成规则的实现

7. 缺陷

暂无

maruolong commented 2 years ago

演示通过，进入接受阶段。 状态变更日期：2021-12-07 为此RFC分配编号003.

修改意见

  1. 动机描述不明确 应描述为何要提出此生成规则，为何要设计地址容量
  2. 缺少内容 实现和缺陷部分缺失
maruolong commented 2 years ago

接受通过，进入通过阶段。 状态变更日期：2021-12-07