[論文レビュー] A Fair and Resilient Decentralized Clock Network for Transaction Ordering

Andrei Constantinescu, Diana Ghinea+3 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2023

Distributed systems and fault tolerance被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、中央集権的でないByzantine合意プロトコルである分散型クロックネットワーク（DCN）を提案する。このプロトコルは中央集権的でないMedianベースの合意形成を用いて、前もって取引の順序を操作する攻撃（front-running）に対して耐性のある公平なタイムスタンプを取引に割り当てる。同期性下では⌈f/2⌉-Median Fairnessを達成し、非同期性下ではf-Median Fairnessを達成する。これにより、低遅延かつシンプルな設計を実現するため、ブロックチェーンの合意形成プロセスからタイムスタンプの付与を分離することで、最適な公平性保証を提供する。

ABSTRACT

Traditional blockchain design gives miners or validators full control over transaction ordering, i.e., they can freely choose which transactions to include or exclude, as well as in which order. While not an issue initially, the emergence of decentralized finance has introduced new transaction order dependencies allowing parties in control of the ordering to make a profit by front-running others' transactions. In this work, we present the Decentralized Clock Network, a new approach for achieving fair transaction ordering. Users submit their transactions to the network's clocks, which run an agreement protocol that provides each transaction with a timestamp of receipt which is then used to define the transactions' order. By separating agreement from ordering, our protocol is efficient and has a simpler design compared to other available solutions. Moreover, our protocol brings to the blockchain world the paradigm of asynchronous fallback, where the algorithm operates with stronger fairness guarantees during periods of synchronous use, switching to an asynchronous mode only during times of increased network delay.

研究の動機と目的

• DeFiにおける前もって取引の順序を操作する攻撃（front-running）の問題に対処すること。ここでは、マイナーまたはバリデーターが取引順序を操作することで利益を得る。
• ブロックチェーンの合意形成に依存せずに、取引順序を公平に保証する分散型でByzantine耐性を持つシステムを設計すること。
• 同期的および非同期的ネットワーク条件下で強い公平性保証を提供する。また、新規のフォールバックメカニズムを導入すること。
• タイムスタンプの付与を取引順序付けから分離することで、合意形成の複雑さを軽減し、システム効率を向上させること。
• 取引内容が暗号的に合意されたタイムスタンプが得られるまで非表示にすることで、耐性のある前もっての取引操作（front-running）を防ぐこと。

提案手法

• DCNは、f < n/3のByzantine障害に耐性を持つnノードのネットワークを用い、各取引のタイムスタンプについて、新規のByzantine合意プロトコルにより合意に達する。
• タイムスタンプは、誠実なノードの受信時刻の中央値に基づいて計算され、真の中央値からの近さを測るδエラーパラメータを導入する。
• プロトコルは通常、非同期モデルで動作するが、ネットワーク状態が同期的になると、公平性保証が向上する。
• 暗号的プリミティブにより、タイムスタンプが合意に達するまで、ノードが取引内容を確認できないようにする。これにより、事前の操作が防止される。
• システムはタイムスタンプの付与とブロックチェーンの合意形成を分離する。バリデーターはDCNのタイムスタンプを用いて取引を順序付けし、元のブロックチェーンの合意メカニズムを維持する。
• プロトコルは、合意されたタイムスタンプが誠実なノードの受信時刻中央値にどれほど近いかを測る新しい公平性指標であるδ-Median Fairnessを導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーンの合意形成に依存せずに、同期的および非同期的ネットワーク環境下で公平な取引順序付けを達成できる分散型システムは存在するか？
• RQ2 ネットワーク遅延が予測不能な状況下で達成可能な公平性保証は何か？ また、既存のモデルと比較するとどうなるか？
• RQ3 低遅延性とByzantine耐性を維持しつつ、前もって取引の順序を操作する攻撃（front-running）を防げるか？
• RQ4 Byzantineノードによる操作に対して、中央値ベースのタイムスタンピングプロトコルを強固にできるか？
• RQ5 非同期および同期環境下で達成可能な最適な公平性バウンドは何か？ また、効率を損なわずに達成可能か？

主な発見

• DCNは同期的ネットワーク環境下で⌈f/2⌉-Median Fairnessを達成し、これは最適であり、従来の公平性モデルよりも強力である。
• 非同期環境下では、f-Median Fairnessを保証する。これは、このような環境下で知られている最良のバウンドと一致し、最悪ケースではHonest-Range Fairnessと一致する。
• プロトコルはf < n/3のByzantine障害に耐性を持ち、すべての誠実なノードが誠実な受信時刻中央値に近いタイムスタンプに合意する。
• 取引内容がタイムスタンプが合意に達するまで非表示にすることで、事前の前もっての取引操作（front-running）攻撃を防止する。
• タイムスタンプの付与を合意形成から分離することで、システムの複雑さが軽減され、低遅延の取引順序付けが可能になる。
• システムは既存の非許可型ブロックチェーンと互換性があり、検閲耐性や合意層の分散性を損なわず、統合可能である。