比特幣協議的時間扭曲攻擊漏洞及其修復

2025年3月26日，比特幣開發者提出了一項名爲"大共識清理"的軟分叉提案，旨在修復比特幣協議中長期存在的幾個漏洞和弱點。其中最嚴重的漏洞之一被稱爲"時間扭曲攻擊"，本文將對此進行深入探討。

比特幣區塊時間戳保護機制

在討論時間扭曲攻擊之前，我們需要了解當前的時間操縱保護規則：

1. 中位過去時間(MPT)規則：區塊時間戳必須晚於前11個區塊的中位時間。

2. 未來區塊時間規則：區塊時間戳不能比節點對等體的中位時間提前超過2小時。節點提供的時間與本地系統時鍾之間允許的最大差距是90分鍾。

這些規則旨在確保區塊時間戳既不會過於落後，也不會過於超前。然而，時間扭曲攻擊正是通過僞造時間戳，使其遠遠回到過去來實現的。

中本聰的"差一"錯誤

比特幣的難度調整周期包含2016個區塊，以10分鍾區塊目標計算，約爲兩周時間。在計算挖礦難度調整時，協議計算相關2016區塊窗口中第一個和最後一個區塊之間的時間戳差。然而，中本聰在計算目標時間時犯了一個微小的錯誤：他使用了2016而不是2015作爲乘數。

這個錯誤導致目標時間比實際應有的長0.05%，使得比特幣的實際目標間隔時間爲10分鍾零0.3秒。雖然這個誤差看似微不足道，但它爲更嚴重的漏洞埋下了伏筆。

時間扭曲攻擊原理

時間扭曲攻擊利用了中本聰在難度計算中的錯誤。攻擊者通過操縱區塊時間戳，使區塊鏈在時間上緩慢前進，同時遵守MTP規則。具體來說，攻擊者可以：

1. 對大多數區塊，將時間戳設置爲比前一個區塊僅提前一秒。
2. 每六個區塊才將時間戳向前推進一秒。
3. 在每個難度調整周期的最後一個區塊中，將時間戳設置爲真實世界時間。
4. 下一個難度調整周期的第一個區塊時間戳再次回到過去。

這種操作導致區塊鏈時間越來越落後於真實時間，同時難度不斷增加。然而，在第二個調整周期後，難度將開始向下調整，攻擊者可以以極快的速度創建區塊，潛在地創造大量比特幣。

攻擊的可行性與限制

盡管理論上這種攻擊具有破壞性，但實施起來面臨諸多挑戰：

1. 需要控制大部分算力。
2. 誠實礦工的存在會增加攻擊難度。
3. MTP規則和誠實礦工的時間戳限制了惡意時間戳的回溯程度。
4. 攻擊過程可被公開觀察，給予社區時間進行緊急修復。

解決方案

爲防止時間扭曲攻擊，提案建議在新的難度週期開始時增加一個簡單的規則：要求新週期第一個區塊的時間不早於前一周期最後一個區塊之前的特定時間段。目前討論的時間段從10分鍾到2小時不等。

在最新的大共識清理提案中，這個時間段被設定爲2小時。這一限制僅佔難度調整周期目標時間的0.6%，有效地限制了向下操縱難度的能力。

這種方法相較於直接修改難度調整算法更爲簡單，且不需要硬分叉。它既能有效防止時間扭曲攻擊，又能最小化意外無效區塊的風險，同時與現有的未來區塊時間戳規則保持一致。

通過實施這一修復，比特幣網路將能夠更好地抵御潛在的時間操縱攻擊，進一步增強其安全性和穩定性。