以太坊权益证明中的密钥机制与安全管理

以太坊采用公钥-私钥加密体系保障用户资产安全。公钥作为以太坊地址生成基础，是公开的用户标识符；私钥仅由账户所有者持有，用于对交易和数据“签名”，以密码学方式证明特定操作已获授权。

以太坊密钥通过椭圆曲线加密技术生成。随着以太坊从工作量证明转向权益证明，新增了一类密钥以适应网络升级需求。原有基于椭圆曲线的密钥仍负责账户安全，但参与权益证明质押及运行验证者节点需使用新型密钥。这一变化旨在应对扩展性挑战，通过密码学方法优化大量验证者间的信息传递与汇总，降低网络共识所需的通信开销。

新型密钥采用 Boneh-Lynn-Shacham（BLS）签名方案，支持高效签名聚合，并可对聚合后的单个验证者密钥进行逆向工程，极大提升了验证者行为管理的效率。

验证者密钥的两种类型

权益证明升级前，用户仅需一个椭圆曲线私钥管理资金。升级后，独立质押者需额外配置验证者密钥和提款密钥。

验证者密钥的组成与功能

验证者签名密钥包含两个部分：

验证者私钥：用于签署链上操作（如区块提议和认证），需存放于热钱包中以保障实时响应能力。
验证者公钥：在用户向质押存款合约存入以太币时，作为交易数据的一部分提交，供以太坊网络识别验证者身份。

私钥的灵活性支持快速跨设备转移，但若丢失或被盗，攻击者可实施以下恶意行为：

通过以下方式导致验证者被罚没：
- 以提议者身份在同一时隙签署两个不同信标区块；
- 以证明人身份签署“包围”其他认证的证明；
- 以证明人身份签署两个目标相同但内容不同的证明。
触发自愿退出机制，停止验证者质押并授权提款密钥持有人提取以太币余额。

提款凭证的作用与类型

每个验证者均具备提款凭证属性。该32字节字段以0x00（BLS提款凭证）或0x01（指向执行地址的凭证）开头。使用0x00类型BLS密钥的验证者需将凭证更新至执行地址，方可激活超额余额支付或全额提款。更新可通过初始密钥生成时在存款数据中提供执行地址，或后续使用提款密钥签署并广播BLSToExecutionChange信息实现。

提款密钥的管理要点

提款密钥同样由公私钥对组成：

提款私钥：用于更新提款凭证至执行地址（若初始存款未设置）。
提款公钥：配合私钥完成凭证更新操作。

若在更新凭证前丢失提款密钥，将导致无法访问验证者余额。验证者虽可继续签名认证和区块，但无法获取奖励。分离验证者密钥与以太坊账户密钥的设计，支持用户同时运行多个验证者节点。

基于助记词的密钥派生机制

为简化多验证者场景下的密钥管理，所有验证者密钥均可从同一助记词派生。用户仅需保管助记词即可访问全部关联密钥。

助记词作为私钥的初始种子，结合其他数据生成主密钥（视为树状结构的根节点）。通过层次化确定性路径（如BIP-32和BIP-39标准），可从主密钥派生出无限子密钥。典型路径结构为：

m / purpose / coin_type / account / change / address_index

路径以斜杠分隔节点，例如m/2表示从主密钥（m）派生至分支2。用户可通过单一助记词管理多个提款密钥，每个提款密钥又可关联若干验证者，实现高效且安全的层级控制。

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常见问题

问：BLS签名方案相比传统椭圆曲线加密有何优势？
答：BLS签名支持高效聚合多个验证者签名，减少网络通信量，同时允许对聚合签名进行单个验证者逆向追踪，提升权益证明共识效率。

问：丢失验证者私钥会导致哪些风险？
答：私钥丢失可能引发恶意罚没行为（如重复签名或冲突认证），或触发非自愿退出，导致质押以太币被锁定或损失。

问：提款凭证更新是否为强制操作？
答：使用0x00类型BLS密钥的验证者必须更新提款凭证至执行地址（0x01类型），否则无法启动超额余额支付或全额提款流程。

问：助记词在密钥管理中起何作用？
答：助记词作为主密钥的生成基础，通过分层派生机制可管理大量验证者和提款密钥，兼顾安全性与操作便捷性。

问：多个验证者是否可共享同一套密钥？
答：否。每个验证者需独立密钥对，但所有密钥均可从同一助记词派生，实现统一管理。