[論文レビュー] Condorcet Attack Against Fair Transaction Ordering

Vafadar, Mohammad Amin, Khabbazian, Majid|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 89

ひとこと要約

この論文は、特にプライオリティガスオークション（PGA）と先行取引を行うボットによる先行取引を通じて、イーサリアムのコンSENSUS層におけるシステミックリスクを暴露している。MEV（マイナーが抽出可能な価値）が、純収益機会とPGAの手数料から生じる場合、時間的バンディット攻撃（time-bandit attacks）を可能にし、ブロックチェーンのセキュリティを損なう。実証的に、600万ドルを超える先行取引経済を裏付ける一方で、MEVがブロック報酬を上回っていることも明らかにした。

ABSTRACT

We introduce the Condorcet attack, a new threat to fair transaction ordering. Specifically, the attack undermines batch-order-fairness, the strongest notion of transaction fair ordering proposed to date. The batch-order-fairness guarantees that a transaction tx is ordered before tx' if a majority of nodes in the system receive tx before tx'; the only exception (due to an impossibility result) is when tx and tx' fall into a so-called "Condorcet cycle". When this happens, tx and tx' along with other transactions within the cycle are placed in a batch, and any unfairness inside a batch is ignored. In the Condorcet attack, an adversary attempts to undermine the system’s fairness by imposing Condorcet cycles to the system. In this work, we show that the adversary can indeed impose a Condorcet cycle by submitting as few as two otherwise legitimate transactions to the system. Remarkably, the adversary (e.g., a malicious client) can achieve this even when all the nodes in the system behave honestly. A notable feature of the attack is that it is capable of "trapping" transactions that do not naturally fall inside a cycle, i.e. those that are transmitted at significantly different times (with respect to the network latency). To mitigate the attack, we propose three methods based on three different complementary approaches. We show the effectiveness of the proposed mitigation methods through simulations, and explain their limitations.

研究の動機と目的

• 分散型取引所（DEX）における取引順序の乱用を狙うアービトレッジボットの影響範囲とメカニズムを調査すること。
• ボットがガス料金の入札によって優先順位を競い合う、プライオリティガスオークション（PGA）を形式的に定式化し、分析すること。
• MEV（特に順序最適化手数料からのMEV）がイーサリアムのコンセンサス層セキュリティに実際かつ測定可能な脅威をもたらしていることを示すこと。
• MEVがフォーキングや時間的バンディット攻撃を補助できることを実証的に検証し、ブロックチェーンの整合性を損なうことを示すこと。
• リアルタイムダッシュボード（frontrun.me）とオープンソースデータの公開を通じて、コミュニティによるMEVダイナミクスの監視とさらなる研究を可能にすること。

提案手法

• 著者は、純収益アービトレッジ機会を数量化するために、イーサリアム取引のサブセットを分析し、アトミック取引において条件を満たすと必ず利益を得る取引を同定した。
• PGA行動を連続時間的、部分情報、ゲーム理論的システムとしてモデル化し、競合するガス料金入札におけるボット戦略を形式化した。
• frontrun.meダッシュボードからの実証的データを用いてモデルを検証し、ガス価格の上昇が最小限に抑えられる協力的均衡に収束することを示した。
• 本論文は、マイナーが抽出可能な価値（MEV）の概念を導入し、特に順序最適化（OO）手数料がMEVの主要な源であると焦点を当てた。
• PGAと純収益アービトレッジからのMEVが、過去の利益を抽出するためにブロックチェーンの履歴を書き換えることで、時間的バンディット攻撃を可能にすることを示した。
• 著者は、実際の取引データとシミュレーションを用いて、攻撃の実現可能性を推定し、51%攻撃のコストとMEVの閾値を含めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アービトレッジボットは、DEXにおける取引順序の乱用をどれほど行っているのか。その活動の経済的規模は定量的にどの程度か？
• RQ2 ボットはプライオリティガスオークション（PGA）においてどのように行動するのか。それらの戦略は、ゲーム理論的均衡として形式的にモデル化可能か？
• RQ3 PGAと純収益アービトレッジからのMEVは、イーサリアムのコンセンサス層におけるフォークや時間的バンディット攻撃を可能にするか？
• RQ4 高いMEV水準は、ブロックチェーンの整合性とマイナー行動にどのようなシステミックなセキュリティリスクをもたらすか？
• RQ5 プロトコルレベルの詳細（例：マイナー選定、P2Pリレーベイアーブ）は、スマートコントラクトのアプリケーション層セキュリティと公平性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 著者は、これまでにイーサリアムで発生した純収益アービトレッジ機会の下限として、600万ドル相当の収益を同定した。
• プライオリティガスオークション（PGA）は、ボットが最低ガス価格をわずかに上回る金額での入札を行う協力的均衡を示しており、形式的なゲーム理論的モデルが妥当であることを裏付けた。
• PGAとアービトレッジからのMEVは、イーサリアムのブロック報酬をすでに上回っており、ネットワーク内での支配的経済的要因であることが示された。
• 本論文は、手数料ベースのフォーク攻撃がイーサリアム上で現実的かつ実現可能であることを実証的に示した。51%攻撃の24時間分の攻撃コストは178万ドル程度と推定された。
• 高いMEVは、マイナーが過去の取引から利益を抽出するために履歴を書き換えることで、時間的バンディット攻撃を可能にし、単一の攻撃で最大22万ドルの純利益を得られる可能性がある。
• 本研究は、MEVがコンセンサスの安定性に対してシステミックな脅威をもたらしていることを明らかにした。現在のイーサリアムの取引量とMEV水準は、深刻なネットワーク攻撃を補助するのに十分である。