[論文レビュー] A2MM: Mitigating Frontrunning, Transaction Reordering and Consensus Instability in Decentralized Exchanges

Liyi Zhou, Kaihua Qin+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2021

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 37被引用数 26

ひとこと要約

A2MM は、同一ブロックチェーン上のピアド AMM 間でトレードを原子操作でルーティングし、2 点アービトラージを実行する自動裁定市場メーカーを提案し、MEV、フロントランニング、そしてコンセンサス不安定性を抑制します。

ABSTRACT

The asset trading volume on blockchain-based exchanges (DEX) increased substantially since the advent of Automated Market Makers (AMM). Yet, AMMs and their forks compete on the same blockchain, incurring unnecessary network and block-space overhead, by attracting sandwich attackers and arbitrage competitions. Moreover, conceptually speaking, a blockchain is one database, and we find little reason to partition this database into multiple competing exchanges, which then necessarily require price synchronization through arbitrage. This paper shows that DEX arbitrage and trade routing among similar AMMs can be performed efficiently and atomically on-chain within smart contracts. These insights lead us to create a new AMM design, an Automated Arbitrage Market Maker, short A2MM DEX. A2MM aims to unite multiple AMMs to reduce overheads, costs and increase blockchain security. With respect to Miner Extractable Value (MEV), A2MM serves as a decentralized design for users to atomically collect MEV, mitigating the dangers of centralized MEV relay services. We show that A2MM offers essential security benefits. First, A2MM strengthens the blockchain consensus security by mitigating the competitive exploitation of MEV, therefore reducing the risks of consensus forks. A2MM reduces the network layer overhead of competitive transactions, improves network propagation, leading to less stale blocks and better blockchain security. Through trade routing, A2MM reduces the predatory risks of sandwich attacks by taking advantage of the minimum profitable victim input. A2MM also offers financial benefits to traders. Failed swap transactions from competitive trading occupy valuable block space, implying an upward pressure on transaction fees. Our evaluations shows that A2MM frees up 32.8% block-space of AMM-related transactions. In expectation, A2MM's revenue allows to reduce swap fees by 90%.

研究の動機と目的

• 同じブロックチェーン上で複数の競合する DEX がもたらすオーバーヘッドとセキュリティリスクの低減を動機づける。
• ピアド AMM 間でスワップを原子操作でルーティングし、オンチェーン裁定を行う新しい AMM 設計（A2MM）を提案する。
• MEV 被捕獲リスクの低減や取引コストの低減を含むセキュリティと経済的便益を示す。
• ピアド AMM 間のルーティング時のブロック空間使用量の低減やスワップ手数料の低減など、経験的な利点を示す。

提案手法

• N 個のピアド AMM の間でスワップを原子操作でルーティングし、最善努力の2点裁定を実行する A2MM 設計を導入する。
• 2 資産プールの AMM 状態遷移を定義し、流動性感度特性を持つ価格設定関数を形式化する。
• ルーティング最適化が貪欲で、AMM 間の価格乖離を最小化することを証明する（定理1）。
• 複数の AMM にわたる裁定利益最大化を形式化する（式9）。
• ルーティング/裁定取引を最大 N 回のスワップにバッチ処理してスワップ圧縮を示す（定理2）。
• Uniswap と Sushiswap の 2 つの AMM を用いて過去のブロックチェーンデータをリプレイし、手数料とブロック空間の削減を定量化して A2MM を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の AMM 間でのオンチェーンルーティングと裁定は、MEV 関連リスクをどのように低減できるか。
• RQ2 単一の AMM on-chain アプローチと、複数の競合 DEX との比較で、セキュリティと効率性の利点は何か。
• RQ3 ピアド AMM 間の最適ルーティングは価格を均衡させ、サンドイッチ攻撃などの敵対的機会を最小化できるか。
• RQ4 A2MM を採用した場合のブロック空間使用量とスワップ手数料への潜在的影響は何か。

主な発見

• 標準的な AMM 交換と比較して、A2MM はスワップにかかる取引手数料を平均して 90% 削減します。
• A2MM は期待値でブロック空間の使用を 32.8% 削減します。
• ピアド AMM 間のルーティングは貪欲にボリュームを最良価格へ導き、AMM 間の資産価格を均等化します（定理1）。
• A2MM のオンチェーンルーティングと裁定は2点裁定 MEVとサンドイッチ攻撃を緩和し、ブロックチェーンのセキュリティを向上させます。
• 最終状態を変えずに、スワップを最大 N 回のスワップに圧縮できます（定理2）。
• Uni- および SushiSwap を用いた産業的評価は、ピアド AMM 間のルーティング時に実質的な効率性とセキュリティ上の利点を示しています。