比特幣協議中的時間扭曲攻擊漏洞

2025年3月26日，一位比特幣開發者提出了一個新的改進提案，旨在通過軟分叉修復比特幣協議中長期存在的多個漏洞和弱點。其中一個值得關注的漏洞被稱爲"時間扭曲攻擊"，這是本文將要深入探討的主題。

比特幣的時間戳保護機制

在討論時間扭曲攻擊之前，我們需要了解比特幣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超前超過2小時。另外，節點時間與本地系統時鍾之間允許的最大差距爲90分鍾。

這些規則旨在防止區塊時間戳被過度操縱。然而，由於初始區塊鏈同步的需要，無法實施類似未來區塊規則來完全阻止過去時間戳的使用。時間扭曲攻擊正是利用了這一點，通過僞造遠遠回到過去的時間戳來進行攻擊。

協議中的計算錯誤

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，這個計算過程中存在一個微小但重要的錯誤。

正確的計算應該是：60秒 * 10分鍾 * 2015個間隔 = 1,209,000秒。但實際使用的是：60秒 * 10分鍾 * 2016 = 1,209,600秒。這個差一錯誤導致目標時間比應有的長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0.3秒的誤差看似微不足道，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。這種計算方式爲時間扭曲攻擊創造了可能。

時間扭曲攻擊的原理

時間扭曲攻擊約在2011年首次被發現。在這種攻擊中，假設挖礦完全中心化，攻擊者可以按以下方式操縱區塊時間戳：

1. 對大多數區塊，將時間戳設置爲比前一個區塊僅前進一秒。
2. 每六個區塊保持相同時間戳，然後在下一個區塊增加一秒。
3. 在每個難度調整周期的最後一個區塊，將時間戳設置爲真實世界時間。
4. 新難度調整周期的第一個區塊時間戳被設置回過去，比前一周期倒數第二個區塊提前一秒。

這種操作使得區塊鏈時間越來越落後於真實時間，導致難度不斷降低，使得攻擊者能夠以極快的速度創建區塊，潛在地產生大量比特幣。

攻擊的影響和可行性

理論上，這種攻擊可能導致災難性後果。在極端情況下，難度可能被持續降低，直至每秒產生超過6個區塊。然而，實施這種攻擊面臨諸多挑戰：

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. 攻擊過程完全可見，可能觸發緊急修復。
4. MTP規則和誠實礦工的時間戳會限制攻擊效果。

潛在解決方案

修復這個漏洞的方法相對簡單，但可能需要軟分叉協議更改。目前提出的一個解決方案是：

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（建議爲2小時）。這個簡單的規則可以有效防止時間扭曲攻擊，同時最小化意外無效區塊的風險。

這個2小時的限制約爲難度調整周期目標時間的0.6%，大大限制了向下操縱難度的能力。雖然這仍允許攻擊者每個週期將難度向下操縱約0.6%，但這只是一次性變化，無法累積。

總的來說，盡管時間扭曲攻擊在理論上存在嚴重威脅，但實際執行難度較高。通過適當的協議更新，這個潛在漏洞可以得到有效緩解，進一步增強比特幣網路的安全性和穩定性。