[논문 리뷰] Condorcet Attack Against Fair Transaction Ordering

Vafadar, Mohammad Amin, Khabbazian, Majid|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 89

한 줄 요약

이 논문은 이더리움의 합의 계층에서 마이너가 추출할 수 있는 가치(MEV)로 인한 체계적 위험을 폭 드러내며, 특히 우선순위 가스 경매(PGA)와 프론트런딩 거래를 선점하는 추적 봇이 이를 악용하는 방식을 분석한다. MEV가 순수 수익 기회와 PGA 수수료에서 발생할 수 있음을 입증함으로써 블록체인 보안을 약화시키는 시간-도적 공격이 가능해지며, 실제로는 600만 달러 이상의 프론트런딩 경제를 입증하고 MEV가 블록 보상을 초월함을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 분산 거래소(DEXes)에서 거래 순서를 악용하는 추적 봇의 정도와 기계적 메커니즘을 조사하기 위해.
• 우선순위 가스 경매(PGAs)를 정형화하고 분석하기 위해, 봇들이 가스 수수료 입찰을 통해 경쟁하는 방식을 다루기 위해.
• 순수한 순서 최적화 수수료에서 비롯된 MEV가 이더리움 합의 계층 보안에 실질적이고 측정 가능한 위협이 될 수 있음을 입증하기 위해.
• MEV가 포킹 공격과 시간-도적 공격을 자금 지원할 수 있음을 경험적으로 검증하여 블록체인의 무결성을 약화시키는 방식을 입증하기 위해.
• 실시간 대시보드(frontrun.me)와 오픈소스 데이터를 공개하여 커뮤니티의 모니터링 및 MEV 동적 현상에 대한 향후 연구를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 순수 수익 아웃리어지 아웃리어지 기회를 정량화하기 위해 이더리움 거래의 일부를 분석하여 원자적 트랜잭션에서 반드시 이익을 얻는 경우를 식별한다.
• PGA 행동을 연속 시간, 부분 정보, 게임 이론적 시스템으로 모델링하여 봇의 전략이 경쟁적 가스 수수료 입찰에서 어떻게 형성되는지 정형화한다.
• 프론트런.me 대시보드에서 확보한 경험적 데이터를 활용하여 모델을 검증하고, 최소 가스 가격보다 약간 높은 입찰 수준에서 협력적 균형에 수렴하는 경향을 보여준다.
• 논문은 마이너가 추출할 수 있는 가치(MEV) 개념을 도입하며, 순서 최적화(OO) 수수료가 MEV의 핵심 원천임을 집중적으로 다룬다.
• PGA와 순수 아웃리어지에서 비롯된 MEV가 과거 수익을 추출하기 위해 블록체인 역사 재작성으로 이어지는 시간-도적 공격을 가능하게 함을 입증한다.
• 저자들은 실제 트랜잭션 데이터와 시뮬레이션을 활용하여 공격의 가능성과 51% 공격 비용, MEV 기준치 등을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 추적 봇은 DEX에서 거래 순서를 얼마나 악용하고 있으며, 이러한 활동의 정량적 경제적 규모는 무엇인가?
• RQ2 봇은 우선순위 가스 경매(PGAs)에서 어떻게 행동하는가? 그리고 그 전략은 게임 이론적 균형으로 정형화될 수 있는가?
• RQ3 PGA와 순수 수익 아웃리어지에서 비롯된 MEV는 이더리움 합의 계층에서 포킹 또는 시간-도적 공격을 가능하게 하는가?
• RQ4 고수준의 MEV는 블록체인 무결성과 마이너 행동에 어떤 체계적 보안 위험을 초래하는가?
• RQ5 프로토콜 수준의 세부 사항(예: 마이너 선택, P2P 리lay 행동)은 스마트 계약의 애플리케이션 계층 보안과 공정성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 저자들은 지금까지 이더리움에서 순수 수익 아웃리어지 기회로부터 최소 $600만 달러의 수익을 확보한 것으로 식별한다.
• 우선순위 가스 경매(PGAs)는 봇이 최소 가스 가격보다 약간 높게 입찰하는 협력적 균형을 보이며, 이는 정형화된 게임 이론적 모델을 검증한다.
• PGA와 아웃리어지에서 비롯된 MEV는 이미 이더리움 블록 보상을 초월하며 네트워크 내에서 지배적인 경제적 힘이 됨을 보여준다.
• 논문은 수수료 기반의 포킹 공격이 실제로 가능하고 실현 가능하다는 것을 경험적으로 입증하며, 24시간 51% 공격 비용을 약 $178만 달러로 추정한다.
• 고수준의 MEV는 시간-도적 공격을 가능하게 하며, 마이너가 과거 트랜잭션의 수익을 추출하기 위해 블록체인의 역사를 재작성할 수 있으며, 단일 공격으로 최대 $220만 달러의 순이익을 얻을 수 있다.
• 이 연구는 MEV가 합의 안정성에 체계적 위협이 되며, 현재의 이더리움 거래량과 MEV 수준가 충분히 심각한 네트워크 공격을 자금 지원할 수 있음을 드러낸다.