检测时间漂移以确保区块链中的硬件时间认证

《Microprocessors and Microsystems》：Detecting time drifts for securing Proof of Hardware Time in blockchain

区块链依赖时间证明机制，传统PoW能耗高不适合嵌入式系统。本文提出PoHT方案，通过整合TrustZone和TPM的多时钟源，实验发现温度攻击导致时钟漂移，并设计检测系统实时监控TPM与RTC的时间偏差，有效防御时间压缩攻击。

　　区块链技术使得参与者能够在不信任彼此的情况下创建一个带有时间戳、共享且可复制的事件历史。为了确保所有参与者对这一共享历史达成一致，区块链使用了一种共识协议，例如比特币中的Nakamoto协议。这种协议依赖于一种统计上确保两个区块之间经过时间的证明机制，即通过工作量证明（Proof of Work, PoW）机制实现。然而，PoW机制对计算资源的高需求使得它不适合用于嵌入式系统。为此，研究者提出了另一种机制，称为硬件时间证明（Proof of Hardware Time, PoHT），旨在提供一种设计上安全且低功耗的时间流逝证明机制。

在当前的工作中，我们使用了一个包含ARM Cortex-A7微处理器、TrustZone和可信平台模块（Trusted Platform Module, TPM）的系统级模块（System on Module, SoM）。通过这一平台，我们能够设计出一种可靠的事件时间间隔测量机制。本文的重点在于研究PoHT中时间测量的可靠性，并进行实验性攻击，以测试在温度变化条件下时钟振荡器的行为。我们提出了多种时间源的整合方案，并设计了一种用于检测时间漂移的解决方案。此外，还描述了时间漂移检测系统的嵌入式架构，并对系统进行了实验测试。

在区块链系统中，时间的测量和验证对于确保共识协议的安全性至关重要。任何对时间测量的篡改都可能被用于发起长期攻击，即攻击者通过创建比当前有效分支更长的新分支来改变交易历史。为了防止此类攻击，每个区块都需要一个时间流逝的证明。这种证明确保了区块之间的实际时间间隔，从而防止攻击者通过压缩或扩展时间来操控系统。然而，传统的PoW机制由于其高能耗，无法在嵌入式设备上广泛应用。因此，研究者开始探索基于硬件安全组件的时间证明方法。

在这一背景下，硬件时间证明（PoHT）被提出，作为一种替代方案。它依赖于嵌入式设备中的硬件安全组件，如TrustZone和TPM，来测量和验证时间流逝。与PoW不同，PoHT不需要大量的计算资源，而是利用硬件特性，如时钟振荡器的温度敏感性，来确保时间测量的准确性。我们的研究发现，单一的时钟无法提供可靠的时间证明，因为其容易受到温度变化的影响，从而导致时间漂移。因此，我们提出了整合多个时间源的方案，以提高时间测量的可靠性。

在实验部分，我们对SoM中的时钟架构进行了分析，并通过改变环境温度来测试不同时间源在不同条件下的行为。我们发现，温度变化会对时钟振荡器的频率产生显著影响，从而导致时间漂移。例如，在高温环境下，时钟振荡器的频率会增加，使得时间流逝被压缩；而在低温环境下，频率会降低，导致时间被延长。这些漂移现象可能被攻击者利用，以操控时间测量并进而影响区块链的安全性。

我们通过实验验证了这些时间漂移现象，并提出了一个基于TrustZone的时间整合机制。这一机制包括TPM时钟与TrustZone时钟的同步，以及对各个时间源访问时间的统计分析。通过这些步骤，我们能够更准确地计算时间间隔，并检测任何异常的时间漂移。此外，我们还设计了一种时间漂移检测系统，该系统能够实时监测时间源之间的差异，并在检测到异常时设置时间漂移标志，以触发相应的安全措施。

在时间漂移检测系统中，我们利用了TPM时钟和RTC时钟作为参考，以评估时间测量的可靠性。由于TPM时钟和RTC时钟在不同温度条件下表现出不同的漂移行为，我们能够通过比较它们的时钟速率来识别潜在的攻击。在实验中，我们发现，当温度升高时，TPM时钟的速率显著增加，而当温度降低时，其速率则略有下降。这些变化可以通过设置合理的阈值来检测，并在检测到异常时触发安全响应。

我们还讨论了时间漂移检测系统在不同硬件平台上的可扩展性。由于区块链网络通常由多种硬件架构组成，时间漂移检测系统需要能够适应不同的时间源和硬件配置。为了实现这一点，我们建议引入一个抽象层，为每个可用的时钟分配安全性和精度等级，从而确保系统能够依赖最可靠的时间源。这种框架不仅能够提高时间测量的可靠性，还能增强系统在异构环境中的可扩展性。

综上所述，本文提出了一种基于硬件时间证明的区块链时间测量机制，并通过实验验证了其在温度变化条件下的可靠性。我们发现，单一的时钟无法提供足够安全的时间证明，因此需要整合多个时间源以提高安全性。此外，我们设计了一种时间漂移检测系统，能够在检测到异常时触发安全措施，从而保护区块链免受时间操控攻击。未来的工作将集中在如何利用这一时间漂移标志来建立分布式信任，以及如何在区块链协议中整合时间漂移检测机制，以进一步提升系统的安全性和可靠性。