完整版丨 Internet Identity（II）的设计和实现：全面掌握 DFINITY 身份系统

对于初学 IC 的开发者来说，Internet Identity（II）比较难以理解，所以我想写几篇文章尽可能简洁的介绍清楚 II 的设计和实现。

作者：tinywateer，腾讯专家级工程师

封面：DFINITY

Internet Identity（II）整体上的一些设计

II 的设计目标主要是：

1. 屏蔽掉私钥/公钥等技术概念，不让用户接触它们，且更安全
2. 用户登录不同的 DApp 有不同的身份，解决隐私问题
3. 用户登录 DApp 有过期时间，在一段时间内有效

另外，一个必须的基础是服务端永远不保存私钥。

第一个目标，II 是如何设计的呢？主要是 Anchor、设备、助记词  这三个方面。

a. 关于 Anchor。

Anchor 就是一个数字，也叫做 User Number。

Anchor 可以理解为 用户 的 ID，它在 II 智能合约中是一个索引，可以根据 Anchor 查出来用户的设备信息。

Anchor 是自增的。

b. 关于设备。

II 抽象出来了「设备」的概念，即 Anchor → 设备 → 私钥/公钥，有了设备这一层，用户不需要去关注私钥/公钥，只要关注设备就足够了。

设备的特点如下：

1. 一个 Anchor 可以增加多个设备
2. 每个设备都有自己独立的 私钥/公钥，私钥保存在本地的设备，公钥保存在服务端
3. 每个设备都可以增加新的设备、删除其他的设备

一般要对 Anchor 增加多个设备，在任何一个设备都可以登录 IC 上的 DApp。

一个设备丢了，不会对使用造成影响，只需要在一台设备上删除丢失的设备，然后增加新的设备即可。

设备一般是电脑或者手机上的浏览器，在使用时需要刷脸或者指纹（基于 WebAuthn 实现），外人很难盗用，更加安全。

c. 关于助记词。

在极端情况下，所有设备都丢了，怎么办？

这时候，还有助记词，用助记词增加一个新的设备，然后把其他所有设备都删除即可。

虽然助记词底层有一对私钥和公钥，但是用户可以把它看做是「恢复账户」的文本，不需要去理解私钥和公钥概念。

助记词的公钥也是保存在服务端，而私钥不会保存在本地，当恢复时，使用助记词生成私钥，然后和服务端的公钥做验证，验证通过即可恢复。

本质上，对于服务端来说，助记词也是个「设备」（类型为 seed_phrase，用途为 recovery）。

这里需要注意两点：

1. 设备和助记词 的「地位」其实是一样的
   1. 在一台设备上，可以删除和增加设备，也可以删除和新建一个助记词
   2. 用助记词增加一台新设备后，可以做同样的事情
2. 要保证你的 Anchor 的设备和助记词 至少有一个存在，否则你的 Anchor 就无法恢复了，建议不要轻易修改助记词

第二个目标，II 是如何设计的呢？这里主要是 身份。

身份，即 Identity，是 IC 的一个特有抽象，其实在我看来，身份本质上是用户（Anchor）登录到不同 DApp 时的一个「分身」。

身份是基于公钥计算得来。

公钥的计算方式是：

|ii_canister_id| · ii_canister_id · seed

身份的计算方式是：

SHA-224(Public-Key) · 0x02

其中 seed 计算方式是：

seed = SHA-256(|salt| · salt · |user_number| · user_number · |frontend_host| · frontend_host)

注：|...| 表示 ... 的长度，user_number   就是 Anchor，frontend_host 是 DApp URL。

可以看到，身份的决定因素是 Anchor 和 frontend_host（II Canister ID 是不变的）。

这就保证了：

1. 当一个 Anchor 登陆不同 DApp 时，身份是不一样的
2. 在一个 Anchor 不同的设备上登陆 DApp，身份是一样的

但是，有个比较严重的问题，由于目前大部分 DApp URL 中包含 Canister ID，当 Canister ID 被删掉重建时，意味着 DApp 中的身份数据会发生变化！

第三个目标，II 设计了一套 Delegation 机制。

Delegation 机制是 II 中非常重要的设计，它本质是权限委托，它的基本原理是：

1. 基于一对私钥和公钥（A）对另一对私钥和公钥（B）进行签名，签名之后， 后者可以代表前者的权限
2. 签名时可以带上 Scope 和 Expiration，Scope 是作用范围，也就是 frontend_host，Expiration 是过期时间，过期之后签名失效

Delegation 可以套娃，不断签下去，形成 Delegation Chain。

在 II 中，A 是任何一个设备的私钥和公钥，B 是 DApp 前端临时生成的私钥和公钥，B 的过期时间在 DAapp 前端设置。

签名之后，就表示 DApp 前端临时的私钥和公钥可以代表设备的私钥和公钥和 DApp 交互了，当然 DApp 前端也会获得和 DApp 绑定的用户的身份（Principal）。

另外：

1. 签名过程，首先要验证设备的私钥和公钥，然后对  临时的公钥  做签名，当然还会带上 Anchor、frontend_host、Expiration，签名结果会保存下来
2. 如果验证呢？在 DApp 前端向 IC 发送数据时，用临时的私钥加密，并且带上签名，IC 会验证签名的正确性，如果正确，就用临时的公钥解密，获取数据

另外，II 的这套签名机制有个叫法：Canister Signature，目前官方已经开放这个功能，不仅 II 可以使用，开发者开发 DApp 也可以使用了。

对 II 未来的展望

II 是 IC 生态 DApp 的单点登录系统（SSO），如果 IC 最终做成功了，II 则是整个互联网的单点登录系统。

而且，在未来，II 可以直接签发 Https 证书，也许会颠覆 Https 证书市场。

聊聊实现逻辑和核心代码

本文主要包含三个部分：

1. Anchor 和 设备管理
2. 如何生成身份（Principal）
3. Delegation 实现逻辑

II 实现的函数如下：

前面部分是 Anchor 和 设备管理，get_principal 是生成身份，prepare_delegation 和 get_delegation 是 Delegation 的实现。

第一部分，Anchor 和 设备管理。

设备的数据结构：

DeviceData 主要包括 pubkey（公钥）、alias（别名）、credential_id（凭据，可选，用于 WebAuthN 认证）、purpose（用途）、key_type（类型）。

设备分为普通设备和用于恢复的设备：

1. 普通设备，purpose 为 authentication，key_type 为 unknown
2. 用于恢复的设备，purpose 为 recovery，key_type 又分为两种情况：
   1. 如果使用助记词，key_type 为 seed_phrase
   2. 如果使用安全秘钥，key_type 为 cross_platform

在第一次使用 II，创建 Anchor 时，会提示输入第一个设备名称，点击 Create 后，会调用后端的 register 函数同时创建 Anchor 以及增加第一个设备。

register 几个重要的点：

1. check_entry_limits 是检查一些限制，包括别名、公钥和凭据的长度限制
2. store.allocate_user_number() 会生成一个 Anchor，它是自增 ID，加 1 即可
3. 然后把 Anchor 和设备信息保存下来

注册 Anchor 之后，可以继续增加设备，这时候调用的是 add 函数。

add 函数需要注意的一点是，trap_if_not_authenticated 会验证请求的合法性，验证方法是检查前端的身份（caller，通过设备公钥生成）是不是在已知的设备身份列表里。

trap_if_not_authenticated 不仅在设备的函数中做验证，也会为身份和 Delegation 的函数做验证。

具体代码是：

当然，设备支持还支持删除，这里不再赘述。

第二部分，如何生成身份（Principal）。

在上篇文章中有说过，身份主要是根据 Anchor（user_number）和 frontend_host（frontend）生成。

check_frontend_length 是检查 frontend 长度，不能超过 255 字节。

计算身份用到了 calculate_seed 和 der_encode_canister_sig_key 两个函数，如下：

这里没有特别要说的，略过。

第三部分，关于 Delegation 实现逻辑。

在 DApp 前端，选择 II 登陆的时候，前端会生成一对私钥和公钥，这个私钥和公钥是临时的，有过期时间。

然后会跳转到 identity.ic0.app ，并显示 DApp 的 URL，点击 Proceed，会进行 Delegation 的处理，完成后，跳转回 DApp URL。

在点击 Proceed 的时候前端会调用 prepare_delegation 和 get_delegation 两个函数。

Delegation 的逻辑是在 prepare_delegation 中，get_delegation 只是前端重新获取了一次。

前端传给 prepare_delegation 的参数主要是：

1. user_number：也就是 Anchor
2. frontend：DApp URL
3. session_key: 前端生成的临时公钥
4. max_time_to_live: Delegation 过期时间，由前端指定，但是服务端有限制，最大 8 天（MAX_EXPIRATION_PERIOD_NS）

prepare_delegation 对这四者做一个签名，并保存在服务端。

prepare_delegation 还会返回通过 user_number（Anchor）和 frontend 计算出来的公钥，它代表着登陆到 DApp 的身份，前端会拿到这个身份，注意，这个身份和前端临时生成的私钥和公钥没有关系。

前端调用 get_delegation 之后，就可以获得 Delegation 和它的签名了。

所以，在 II 跳转回 DApp URL 之后，前端就可以获取到身份和 Delegation：

1. 身份，代表着用户登录到 DApp 的「分身」
2. Delegation 代表着经过设备授权的可以与 DApp 交互的权限

下面两张图是前端存储里保存的身份和 Delegation 例子。

总结

附一张 II 的架构图：

另外下面这张图描述了登陆 DApp 的流程：

最后，II 的代码地址，见这里。

讲讲前端部分

说到前端，主要是 Agent-JS，在 IC 上开发 DApp 必须要用到这个库。

Agent-JS 简单来说，是这样：

1. Ed25519：生成公私钥对，实现 SignIdentity
2. Auth Client：请求 II 生成 DelegationIdentity，它提供 transformRequest 方法进行签名
3. Http Agent ：封装 DelegationIdentity、提供 call、query、readState、status 通用函数
4. Actor：封装 IDL、Http Agent、Canister ID 等生成直接请求后端函数的 Actor

具体的代码还是挺多的，这里不一一列举。

只讲讲 Auth Client 和 DelegationIdentity 的部分。

Auth Client 的核心代码在  这里，也可以看下面的图。

可以看到，使用 Ed25519 生成一对临时的公私钥对，默认有效时间 8 小时，并绑定了 _getEventHandler。

在 _getEventHandler 中，如果认证成功，会执行 _handleSuccess 函数，_handleSuccess 从返回的数据中提取 Delegation，从而生成 Identity。

注意，服务端返回的 message.userPublicKey.buffer 是用户的 Identity 对应的公钥，不是临时公钥。

DelegationChain.fromDelegations 这部分代码在  这里，这也是核心代码。

也可以看图：

然后调用 DelegationIdentity.fromDelegation 传入 公私钥对（key）、DelegationChain 生成 DelegationIdentity。

具体见：

注意，DelegationIdentity 中的 getPublicKey 返回的是用户身份的公钥，不是临时公钥。

DelegationIdentity 还提供了 sign 函数，通过临时的私钥对请求进行签名，发送给后端。

具体的签名动作是在 transformRequest 函数中，每次发送请求都会执行 transformRequest，后端会验证 Delegation 是否正确。

transformRequest 中的 sender_pubkey 就是用户身份的公钥，在 DApp 中可以拿到并使用。

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