比特幣協議中的時間扭曲攻擊漏洞及其修復方案

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多個漏洞和弱點。其中一個重要的漏洞被稱爲"時間扭曲攻擊"，本文將重點討論這個問題。

比特幣區塊時間戳保護機制

在探討時間扭曲攻擊之前，我們需要了解當前比特幣協議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2小時以上。同時，節點提供的時間與本地系統時鍾之間允許最大90分鍾的差距。

這些規則的目的是防止區塊時間戳過於偏離實際時間，但它們並不能完全阻止時間扭曲攻擊的發生。

難度調整算法中的漏洞

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，協議會計算相鄰兩個2016區塊窗口中首尾區塊的時間戳差。然而，由於一個微小的計算錯誤，實際使用的目標時間比理想情況多出了600秒。這導致比特幣的實際目標出塊時間爲10分鍾零0.3秒，而非預期的10分鍾。

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，而不是相鄰兩個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

時間扭曲攻擊利用了難度計算中的這個漏洞。攻擊者通過操縱區塊時間戳，使得區塊鏈在時間上向前推進的速度遠低於實際時間的流逝速度。具體來說：

1. 大多數區塊的時間戳僅比前一個區塊增加1秒。
2. 每六個區塊才將時間戳增加1秒，以遵守MPT規則。
3. 在每個難度調整周期的最後一個區塊，使用真實世界時間作爲時間戳。
4. 新難度調整周期的第一個區塊時間戳被設置爲比上一周期倒數第二個區塊早1秒。

這種操作使得區塊鏈時間逐漸落後於真實時間，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，獲取大量比特幣。

攻擊的可行性與限制

盡管理論上時間扭曲攻擊能夠造成嚴重後果，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會限制惡意時間戳的回溯程度。
4. 攻擊過程可被公開觀察，可能觸發緊急修復。

解決方案

爲了修復時間扭曲攻擊漏洞，提出了以下解決方案：

1. 修改難度調整算法，使用相鄰兩個2016區塊窗口的最後一個區塊之間的時間差進行計算。
2. 取消MTP規則，要求每個區塊的時間戳必須大於前一個區塊。
3. 設置新難度週期第一個區塊的最小時間戳限制。

其中，第三種方案被認爲是最簡單有效的。目前提案中建議將這個時間限制設爲2小時，即新難度週期的第一個區塊時間戳不能早於上一周期最後一個區塊2小時以上。這個限制可以有效防止時間扭曲攻擊，同時對正常挖礦影響較小。

通過實施這些修復措施，比特幣網路將能夠更好地抵御時間扭曲攻擊，提高整體安全性和穩定性。