ビットコインプロトコルの時間の脆弱性: 時間歪曲攻撃の詳細解析

概要

最近、ビットコイン開発コミュニティは、ビットコインプロトコルに長い間存在していたいくつかの脆弱性や弱点を修正するための新しいソフトフォーク提案を提出しました。その中の一つの重大な脆弱性は「時間歪み攻撃」と呼ばれ、これは本記事で深く探討するテーマです。

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ビットコインブロックタイムスタンプ保護メカニズム

時間の歪み攻撃について議論する前に、現在のビットコインプロトコルにおける時間操作保護メカニズムを理解する必要があります:

1. 中位過去時間(MPT)ルール: 新しいブロックのタイムスタンプは前11ブロックの中央値の時間よりも遅くなければなりません。

2. 将来のブロック時間ルール: ブロックタイムスタンプはネットワークノードの中央値時間よりも2時間以上早くしてはいけません。また、ノードの時間とローカルシステムクロックとの間の許容される最大の差は90分です。

MPTルールはブロックのタイムスタンプが過度に遡及するのを防ぎ、将来のブロックルールはタイムスタンプが過度に先行するのを制限します。注意すべきは、過去のタイムスタンプを完全に防ぐために将来のブロックルールに類似したメカニズムを実施することはできないということです。これは初期のブロックチェーンの同期プロセスに影響を与える可能性があるためです。

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サトシ・ナカモトの「1人足りない」ミス

ビットコインの難易度調整周期は2016個のブロックを含み、10分のブロック生成時間で計算すると、約2週間の時間です。マイニングの難易度調整を計算する際、プロトコルは関連する2016ブロックウィンドウ内の最初のブロックと最後のブロックの間のタイムスタンプの差を計算します。

しかし、中本聡はオリジナルのコードにおいて小さなが注目すべき間違いを犯しました。彼は2016を使って目標時間を計算し、2015ではなく、実際に必要な時間よりも目標時間が0.05%長くなりました。これはビットコインの実際の目標ブロック生成間隔が10分0.3秒であり、正確な10分ではないことを意味します。

この0.3秒の誤差は微々たるものに見えますが、それは別のより深刻な問題に関連しています。難易度計算は、前のウィンドウの最後のブロックと現在のウィンドウの最後のブロックの間の違いではなく、各2016ブロックウィンドウ内の最初と最後のブロックに基づいています。この計算方法は、時間歪み攻撃の可能性を生み出します。

タイムワープアタックの仕組み

時間の歪み攻撃は、中本聡の難易度計算の誤りを利用しています。この攻撃では、悪意のあるマイナーがブロックのタイムスタンプを操作して難易度調整に影響を与えます。攻撃の手順は次のとおりです:

1. 大多数ブロックについて、マイナーはタイムスタンプを前のブロックより1秒早く設定します。

2. 時間の進行を最大限に遅らせるために、マイナーは連続して6つのブロックで同じタイムスタンプを維持し、その後次のブロックで時間を1秒増やすことができます。

3. 各難易度調整周期の最後のブロックで、マイナーはタイムスタンプを現実の世界時間に設定します。

4. 次の難易度調整ウィンドウの最初のブロックのタイムスタンプが過去に設定され、前のウィンドウの倒数第二のブロックよりも1秒早くなっています。

この攻撃パターンは、ブロックチェーンの時間が実際の時間よりも遅れる原因となり、難易度は常に増加します。しかし、2回目の調整周期から、難易度は下方に調整され始めます。これにより、マイナーは短期間で大量のブロックを生成でき、通常の発行速度を超えるビットコインを潜在的に創出することができます。

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攻撃の実現可能性と課題

理論的にはこの攻撃は破壊的ですが、実際に実施するにはいくつかの課題があります。

1. 大部分のネットワークの計算力を制御する必要があります。

2. 正直なマイナーの存在が攻撃の難易度を上げる。

3. もし誠実なマイナーが任意の難易度調整ウィンドウの最初のブロックを生成した場合、その周期の攻撃は無効になります。

4. 攻撃プロセスは公開されており、緊急ソフトフォーク修復を引き起こす可能性があります。

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ソリューション

この脆弱性を修正する方法はいくつかあります:

1. 難易度調整アルゴリズムを変更し、異なる2016ブロックウィンドウ間の時間スパンを計算します。

2. MPTルールをキャンセルし、各ブロックのタイムスタンプが厳密に増加することを要求します。

3. 新しい制限ルールの設定: 新しい難易度サイクルの最初のブロックの時間は、前のサイクルの最後のブロックの特定の分数(、例えば2時間)よりも早くてはいけません。

現在、開発者は第三の選択肢を採用する傾向があり、制限時間を2時間に設定しています。この選択肢は、時間歪曲攻撃を効果的に緩和し、偶発的に無効なブロックが生成されるリスクを最小限に抑えることができます。

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まとめ

時間の歪曲攻撃は、ビットコインプロトコルにおける潜在的なセキュリティリスクを明らかにしました。この攻撃を実施することは現実には多くの課題が存在しますが、私たちがブロックチェーン技術のインフラを継続的に見直し、改善する必要があることを思い出させてくれます。提案されたソフトフォーク修正案を通じて、ビットコインコミュニティはこの潜在的な脅威に積極的に対処し、ネットワークのセキュリティと安定性をさらに強化しています。