比特幣協議的時間扭曲漏洞探析

2025年3月，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。其中一個較爲嚴重的漏洞被稱爲"時間扭曲攻擊"，本文將對此進行深入探討。

比特幣的時間戳保護機制

在討論時間扭曲攻擊之前，我們先回顧一下當前比特幣網路中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十一個區塊的中位時間。

2. 未來區塊時間規則：區塊時間戳不能比網路節點的中位時間超前超過2小時，同時節點時間與本地系統時鍾的最大允許差距爲90分鍾。

這些規則的目的是防止區塊時間戳被過度操縱，無論是向過去還是向未來。然而，時間扭曲攻擊主要利用的是向過去僞造時間戳的漏洞。

比特幣創始人的"差一"錯誤

比特幣的難度調整周期包含2016個區塊，理論上約爲兩周時間。在計算挖礦難度調整時，協議會計算相關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，這個窗口實際上只包含2015個區塊間隔。

正確的目標時間應該是60秒 * 10分鍾 * 2015個間隔 = 1,209,000秒。但比特幣協議使用了2016這個數字，導致計算結果爲1,209,600秒。這個0.05%的誤差使得比特幣的實際目標區塊間隔略長於10分鍾，爲10分鍾零0.3秒。

雖然這個誤差看似微不足道，但它與另一個更嚴重的問題相關聯。難度計算僅基於每個2016區塊窗口內的第一個和最後一個區塊，而不是前一個窗口的最後一個區塊與當前窗口的最後一個區塊之間的差異。這種計算方法爲時間扭曲攻擊創造了條件。

時間扭曲攻擊的原理

時間扭曲攻擊約在2011年被首次發現。在這種攻擊中，假設挖礦完全中心化，攻擊者可以操縱區塊時間戳。攻擊者會將大多數區塊的時間戳設置爲僅比前一個區塊提前一秒，同時遵守MTP規則。爲了盡可能緩慢地推進時間，攻擊者可以連續六個區塊保持相同時間戳，然後在第七個區塊增加一秒，如此循環。

這種操作會導致區塊鏈時間越來越落後於真實時間。然而，攻擊的關鍵在於每個難度調整周期的最後一個區塊。攻擊者會將這個區塊的時間戳設置爲真實世界時間，而下一個週期的第一個區塊則再次被設置爲過去時間。

通過這種方式，第一個週期後的難度不會受到影響。但從第二個調整周期開始，難度將開始下降。這使得攻擊者可以以極快的速度創建區塊，潛在地產生大量比特幣並從中獲利。

攻擊的可行性與挑戰

盡管理論上這種攻擊具有破壞性，但實際實施面臨諸多挑戰：

1. 需要控制大部分網路算力。
2. 誠實礦工的存在會增加攻擊難度。
3. MTP規則和誠實時間戳會限制惡意時間戳的回溯程度。
4. 如果誠實礦工產生任何難度調整窗口的第一個區塊，該週期的攻擊將失效。
5. 攻擊過程是公開可見的，可能觸發緊急軟分叉修復。

解決方案

修復這個漏洞有多種可能的方法：

1. 改變難度調整算法，計算不同2016區塊窗口之間的時間跨度，同時修正"差一"錯誤。
2. 取消MTP規則，要求時間在每個區塊中始終向前移動。
3. 引入新的限制規則，要求新難度週期的第一個區塊時間不早於前一周期最後一個區塊之前的特定時間（如2小時）。

目前，大共識清理提案中採用了第三種方法，將時間限制設爲2小時。這個方案既能有效緩解時間扭曲攻擊，又能最小化意外無效區塊的風險。

通過實施這些改進，比特幣網路將能夠更好地抵御時間扭曲攻擊，進一步增強其安全性和穩定性。