[논문 리뷰] A2MM: Mitigating Frontrunning, Transaction Reordering and Consensus Instability in Decentralized Exchanges

Liyi Zhou, Kaihua Qin외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 14.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 37인용 수 26

한 줄 요약

A2MM는 동일 블록체인에서 피어링된 AMM들 간의 두 포인트 차익을 포함한 거래를 원자적으로 라우팅하고 수행하여 MEV, 앞선 거래, 합의 불안정을 억제하는 자동 차익 거래 시장 메이커를 제안합니다.

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%.

연구 동기 및 목표

• 동일한 블록체인에서 경쟁하는 여러 DEX로 인한 오버헤드와 보안 리스크를 감소시키려는 동기를 제시합니다.
• 스왑을 원자적으로 라우팅하고 피어링된 AMM 간에 온체인 차익 거래를 수행하는 새로운 AMM 설계(A2MM)를 제안합니다.
• 노출된 MEV 감소 및 거래 비용 절감 등 보안 및 경제적 이점을 입증합니다.
• 피어링된 AMM 간의 라우팅 시 블록 공간 사용 감소 및 스왑 수수료 감소와 같은 경험적 이점을 보여줍니다.]
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제안 방법

• A2MM 설계를 도입하여 N개의 피어드 AMM 간에 원자적으로 스왑을 라우팅하고 최선의 노력으로 2점 차익을 실행합니다.
• 두 자산 풀에 대한 AMM 상태 전이 및 유동성 민감도 특성을 사용한 가격 결정 함수를 정식화합니다.
• 라우팅 최적화가 탐욕적이며 AMM 간 가격 발산을 최소화함을 증명합니다(정리 1).
• 다수의 AMM에 걸친 차익 거래 이익 극대화를 정식화합니다(식 9).
• 라우팅/차익 거래 트랜잭션을 최대 N건의 스왑으로 배치하여 스왑 압축을 보여줍니다(정리 2).
• Uniswap 및 Sushiswap의 두 AMM으로 과거 블록체인 데이터를 재생하여 피어드 AMM 간 라우팅의 수수료 및 블록 공간 사용 감소를 정량화합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 AMM 간 온체인 라우팅 및 차익 거래가 MEV 관련 위험을 어떻게 줄일 수 있는가?
• RQ2 단일 AMM 온체인 접근 방식과 다중 경쟁 DEX 간의 보안 및 효율성 이점은 무엇인가?
• RQ3 피어링된 AMM 간의 최적 라우팅이 가격 차균화를 해결하고 샌드위치 공격과 같은 적대적 기회를 최소화할 수 있는가?
• RQ4 A2MM 채택 시 블록 공간 사용 및 스왑 수수료에 어떤 잠재적 영향이 있는가?

주요 결과

• A2MM은 표준 AMM 스왑에 비해 스왑당 소비 트랜잭션 수수료를 평균 90% 감소시킵니다.
• A2MM은 예상치에서 소비되는 블록 공간을 32.8% 감소시킵니다.
• 피어링된 AMM 간의 라우팅은 최선의 가격으로 볼륨을 그리드처럼 배분하여 AMM 간 자산 가격을 평준화합니다(정리 1).
• A2MM의 온체인 라우팅 및 차익 거래는 2점 차익 MEV 및 샌드위치 공격을 완화하여 블록체인 보안을 향상시킵니다.
• 최종 상태를 바꾸지 않고 최대 N건의 스왑으로 스왑 압축이 가능합니다(정리 2).
• 유니( Uni ) 및 스시스왑(SushiSwap)을 이용한 산업적 평가에서 피어링된 AMM 간 라우팅 시 의미 있는 효율성 및 보안 이점을 보여줍니다.