[論文レビュー] High-Frequency Trading on Decentralized On-Chain Exchanges

Liyi Zhou, Kaihua Qin+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 39被引用数 29

ひとこと要約

本稿は、特にUniswapを対象とした、分散型オンチェーン取引所におけるサンドイッチ攻撃を形式的かつ実証的に評価する。攻撃者は公開ブロックチェーンデータを用いて、前もって注文を実行し、後続の被害者取引を逆走することで、1日平均3,414米ドルの収益を達成できることが示された。この攻撃は取引遅延と自動市場メイカー（AMM）プロトコルの決定論的性質を悪用しており、複数の競合攻撃者による存在下では収益が著しく低下する。

ABSTRACT

Decentralized exchanges (DEXs) allow parties to participate in financial markets while retaining full custody of their funds. However, the transparency of blockchain-based DEX in combination with the latency for transactions to be processed, makes market-manipulation feasible. For instance, adversaries could perform front-running -- the practice of exploiting (typically non-public) information that may change the price of an asset for financial gain. In this work we formalize, analytically exposit and empirically evaluate an augmented variant of front-running: sandwich attacks, which involve front- and back-running victim transactions on a blockchain-based DEX. We quantify the probability of an adversarial trader being able to undertake the attack, based on the relative positioning of a transaction within a blockchain block. We find that a single adversarial trader can earn a daily revenue of over several thousand USD when performing sandwich attacks on one particular DEX -- Uniswap, an exchange with over 5M USD daily trading volume by June 2020. In addition to a single-adversary game, we simulate the outcome of sandwich attacks under multiple competing adversaries, to account for the real-world trading environment.

研究の動機と目的

• オンチェーンの分散型取引所（DEX）における市場操作の一種としてのサンドイッチ攻撃を形式化・分析すること。
• 取引量の高いAMMベースのDEX、Uniswapにおけるサンドイッチ攻撃の収益性を定量化すること。
• フィーベースの入札競争を模擬することで、複数の競合攻撃者の存在が攻撃収益性に与える影響を評価すること。
• 手数料戦略を用いた場合の、攻撃的取引のブロック内位置決定確率を評価すること。
• DEX設計におけるスリッページ設定とシステムスケーラビリティのトレードオフを明らかにすること。

提案手法

• 資産価格への影響とアービタージュ機会を記述するため、数学的モデルを用いてAMMメカニズムとサンドイッチ攻撃を形式化する。
• 被害者取引に起因する価格スリッページから利益を最大化するため、攻撃的行動を流動性受け手または提供者としてモデル化する。
• 実世界のUniswap取引データ（ブロック900万～910万）を用いて、攻撃の収益性とタイミングを実証的に検証する。
• 反応的手数料入札戦略を用いて、2、5、10人の攻撃者を含む競合環境をシミュレートし、現実の市場ダイナミクスをモデル化する。
• 取引手数料の支払い（±1 Wei）とブロックレベルの遅延に基づいて、取引位置決定確率を分析する。
• 平均DAI市場データ（85,488 ± 34,782 gas）に基づくガス消費モデルを用いて、さまざまな攻撃条件下での損益分岐点を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Uniswapにおけるサンドイッチ攻撃で、攻撃的トレーダーが抽出可能な最大期待収益はどれくらいか？
• RQ2 取引がブロック内での相対的位置に依存して、前もってまたは後続に走る確率はどのように変化するか？
• RQ3 複数の競合攻撃者が存在する場合、サンドイッチ攻撃の収益性にどのような影響を与えるか？
• RQ4 ネットワーク混雑度が上昇する中で、サンドイッチ攻撃の損益分岐時間はどのように変化するか？
• RQ5 DEXのデフォルトスリッページ設定は、スケーラビリティと操作への脆弱性のトレードオフにどのように影響するか？

主な発見

• 攻撃的トレーダーは、マイナーとの共謀がなくても、Uniswapにおけるサンドイッチ攻撃により1日平均3,414米ドルの収益を達成できる。
• ±1 Weiの取引手数料戦略を用いる場合、被害者取引を前もってまたは後続に走らせる確率は最低79%に達する。
• 2、5、10人の競合攻撃者が存在する場合、1人の攻撃者あたりの期待収益はそれぞれ51.0%、81.4%、91.5%低下し、平均的利益は0.45、0.17、0.08 ETH（67米ドル、25米ドル、12米ドル）にまで減少する。
• 2、5、10人の攻撃者に対して、被害者取引がネットワーク上で保留状態である時間が27.7秒、20.3秒、16.3秒を超えると、サンドイッチ攻撃の損益分岐点は達成不可能になる。
• ネットワーク混雑度が高まるにつれ、実行コストが上昇しアービタージュウィンドウが短くなるため、攻撃はますます収益性を失う。
• 本研究は、DEX設計における根本的ジレンマを明らかにした：低めのデフォルトスリッページはスケーラビリティを低下させるが、高めのスリッページはMEVベースの攻撃に対する脆弱性を増大させる。