[論文レビュー] FairPoS: Input Fairness in Permissionless Consensus

Massimo Bartoletti, James Hsin-yu Chiang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2021

Benford’s Law and Fraud Detection被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、Uniswapなどの定数製品自動市場メイカー（AMM）において、マイナー抽出可能価値（MEV）を最大化するための新規で最適な戦略「Dagwoodサンドイッチ」を提案する。ユーザーの行動の前後に、スワップ、預け入れ、アービタージュの動きを段階的に挿入することで、1回のユーザー行動シーケンスから最大5,700ドルを抽出可能となり、従来のスワップのみのフロントランニング手法よりも14%優れている。

ABSTRACT

Automated Market Makers (AMMs) are decentralized applications that allow users to exchange crypto-tokens without the need for a matching exchange order. AMMs are one of the most successful DeFi use cases: indeed, major AMM platforms process a daily volume of transactions worth USD billions. Despite their popularity, AMMs are well-known to suffer from transaction-ordering issues: adversaries can influence the ordering of user transactions, and possibly front-run them with their own, to extract value from AMMs, to the detriment of users. We devise an effective procedure to construct a strategy through which an adversary can maximize the value extracted from user transactions.

研究の動機と目的

• 定数製品AMMにおけるMEVゲームを形式化し、敵対者が取引を再順序付け、挿入、または削除することで価値を抽出するプロセスを明確化すること。
• 従来の研究がスワップ取引に限定しているというギャップを埋めるために、預け入れと償還に対してもMEV抽出を拡張すること。
• すべてのAMM取引タイプにわたる利益を最大化する最適なマルチレイヤー取引シーケンスを構築すること。
• 預け入れと償還を含む複雑なユーザー取引セットに対して、従来のヒューリスティック手法が失敗することを示すこと。
• マイナー、ロールアップアグリゲーター、フラッシュボット対応の取引バンドラに適用可能な汎用フレームワークを提供すること。

提案手法

• 「Dagwoodサンドイッチ」と呼ばれるレイヤー式取引戦略を提案。3つの異なる取引レイヤー（事前スワップ、ユーザー行動、事後アービタージュ）を含む。
• 定数製品不変式（x × y = k）を用いてAMMのリザーブをモデル化し、各取引の前後における正確なトークン量を計算する。
• 敵対者がまず逆スワップ（τ1を支払ってτ0を入手）を実行することで、リザーブを調整し、ユーザーの預け入れを可能にするシーケンスを構築する。
• ユーザーの預け入れとスワップ後に変化したリザーブを基に、最終的なアービタージュスワップを挿入し、利益を得る。
• リザーブのダイナミクスに基づき、利益を減少させるユーザーの償還取引は除外することで、戦略を最適化する。
• スワップ、預け入れ、償還のアクションを含む複合ユーザー取引セットにこの戦略を適用し、形式的モデリングにより最適性を証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スワップ、預け入れ、償還のすべてのAMM取引タイプに対して同時にMEVを抽出できる汎用的で最適な戦略を構築できるか？
• RQ2 なぜ既存のヒューリスティックベースのMEV抽出手法は、預け入れと償還を含む取引セットに対して失敗するのか？
• RQ3 複数の取引タイプにわたるAMMリザーブの操作を伴うマルチレイヤー・サンドイッチ攻撃によって、得られる最大の抽出可能価値は何か？
• RQ4 攻撃シーケンスに預け入れと償還のアクションを含めることで、スワップのみの戦略と比較して総利益はどのように変化するか？
• RQ5 Dagwoodサンドイッチ戦略が最適となる条件は何か？また、ブロックサイズや手数料といった実世界の制約下ではどのようにスケーリングするか？

主な発見

• Dagwoodサンドイッチ戦略は、スワップ、預け入れ、償還を含む1回のユーザー取引シーケンスから5,700ドルを抽出可能であり、スワップのみの攻撃よりも14%高い。
• 戦略はまず逆スワップを実行することでユーザーの預け入れを可能にするが、従来のヒューリスティクスでは方向性の不一致によりこれを達成できなかった。
• 複数の取引タイプとリザーブダイナミクスの相互作用を活用することで、従来のフロントランニングを上回る性能を発揮する。
• ユーザーの償還取引は利益を減少させる場合に限り攻撃から除外され、経済的影響に基づく戦略的選択が示された。
• 固定トークン価格と取引・スワップ手数料なしを仮定した下で、形式的に最適性が証明されており、抽出可能価値の上限を提供する。
• フラッシュボットやロールアップアグリゲーターなどの実世界のMEV抽出メカニズムに適用可能であり、取引バンドルが可能である。