[論文レビュー] Quantifying Blockchain Extractable Value: How dark is the forest?

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

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 33

ひとこと要約

この論文は、32か月間にわたりEthereum上のBEV（ブロックチェーン抽出可能価値）を定量化し、サンドイッチ攻撃、清算、裁定、市場間の一般化された取引リプレイ手法、そしてBEVリレーシステムの分析を行う。

ABSTRACT

Permissionless blockchains such as Bitcoin have excelled at financial services. Yet, opportunistic traders extract monetary value from the mesh of decentralized finance (DeFi) smart contracts through so-called blockchain extractable value (BEV). The recent emergence of centralized BEV relayer portrays BEV as a positive additional revenue source. Because BEV was quantitatively shown to deteriorate the blockchain's consensus security, BEV relayers endanger the ledger security by incentivizing rational miners to fork the chain. For example, a rational miner with a 10% hashrate will fork Ethereum if a BEV opportunity exceeds 4x the block reward. However, related work is currently missing quantitative insights on past BEV extraction to assess the practical risks of BEV objectively. In this work, we allow to quantify the BEV danger by deriving the USD extracted from sandwich attacks, liquidations, and decentralized exchange arbitrage. We estimate that over 32 months, BEV yielded 540.54M USD in profit, divided among 11,289 addresses when capturing 49,691 cryptocurrencies and 60,830 on-chain markets. The highest BEV instance we find amounts to 4.1M USD, 616.6x the Ethereum block reward. Moreover, while the practitioner's community has discussed the existence of generalized trading bots, we are, to our knowledge, the first to provide a concrete algorithm. Our algorithm can replace unconfirmed transactions without the need to understand the victim transactions' underlying logic, which we estimate to have yielded a profit of 57,037.32 ETH (35.37M USD) over 32 months of past blockchain data. Finally, we formalize and analyze emerging BEV relay systems, where miners accept BEV transactions from a centralized relay server instead of the peer-to-peer (P2P) network. We find that such relay systems aggravate the consensus layer attacks and therefore further endanger blockchain security.

研究の動機と目的

• Ethereum上の既知の取引活動（サンドイッチ攻撃、清算、裁定）から実世界のBEVを32か月にわたり定量化する。
• 一般化された取引リプレイ攻撃からの利益を推定し、BEVへの影響を評価する。
• BEVリレー概念を形式化し、ブロックチェーンのセキュリティへ与える影響を分析する。
• BEV活動がブロックチェーンのセキュリティリスクおよびマイナーのインセンティブにどのように関連するかを評価する。

提案手法

• Uniswap V1/V2/V3、Sushiswap、Curve、Swerve、1inch、Bancorのオンチェーンデータを収集・分析し、サンドイッチ攻撃と裁定を検出；Aave、Compound、dYdXの清算を分析する。
• ブロックとメmpool状態でサンドイッチ攻撃、清算、裁定イベントを識別するヒューリスティクスを定義する。
• 検出されたBEV取引を実行時の価格やプラットフォーム価格を用いてUSDに換算し、利益を算出する。
• victim取引をコピーして収益を抽出する一般化された取引リプレイアルゴリズムを開発・実証的に評価する。
• BEVリレイヤーの概念を、取引者とマイナー間のBEV取引転送またはリレーとして形式化する。
• ガス価格の分布と戦略（フロントランニング、バックランニング、プライベートリレー）を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測期間中にサンドイッチ攻撃、清算、裁定から抽出された総BEV利益はどれくらいか。
• RQ2 一般化された取引リプレイ攻撃によって拡張され得るBEVはどの程度か。
• RQ3 BEVリレイヤーがブロックチェーンのセキュリティとネットワークオーバーヘッドに及ぼす役割と影響は何か。
• RQ4 BEVにおける主要な挙動パターン（フロントランニング対バックランニング）と取引手数料のダイナミクスは何か。
• RQ5 私的にリレーされたBEV取引はどの程度普及しており、どの程度の利益を生むのか。

主な発見

• サンドイッチ攻撃、清算、裁定からのBEVは、32か月間に540.54百万USDに達し、11,289のアドレスと49,691の暗号資産が関与する60,830のオンチェーン市場にわたって累積された。
• 観測された最大のBEVは4.1百万USDに達し、Ethereumブロック報酬の約616.6倍に相当する。
• 新規の取引リプレイアルゴリズムは35.37百万USDの利益を生み得る可能性があり、BEVを35.18百万USD拡大しつつイベントのごく小さな割合と交差する。
• プライベートリレー（ガス価格ゼロ）はサンドイッチ攻撃の31.98%で使用され、81.04百万USDの利益を生んでおり、BEVリレーが profitsに大きく寄与することを示している。
• 清算（固定スプレッド）は31,057件のイベントから28か月で89.18百万USDを生み出し、フロントランニングが清算の74.50%を占めた。
• 裁定取引は1,151,448件の取引で277.02百万USDに達し、9.6%が私的にリレーされ、82.75百万USDを生み出した。
• 裁定パターンは多くが二市場または三市場（2点・三角形）で、ETH、USDC、USDT、DAIが関与するケースが99.91%であった。
• BEVリレイヤはブロックチェーンのフォーク数とチェーン再編成を増加させる可能性があり、コンセンサス層のセキュリティを悪化させ得る。