[논문 리뷰] Credible Decentralized Exchange Design via Verifiable Sequencing Rules

Matheus V. X. Ferreira, David C. Parkes|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 30.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 34인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 탈중앙화된 거래소(DEx)에서 마이너의 프론트런닝을 방지하기 위해 검증 가능한 순서 지침을 제안하며, 사용자가 공정한 실행 가격을 받을 수 있도록 보장한다. 어떤 순서 지침이라도 위험 없는 수익을 완전히 제거할 수 없다는 불가능성 결과를 증명하지만, 사용자가 독립적으로 거래했을 때의 가격보다 나아지거나, 마이너가 거래를 포함했을 때 수익을 얻지 못하는 경우에만 사용자가 가격을 확보할 수 있도록 보장하는 검증 가능한 규칙을 제안한다. 이는 사용자 측의 대응 조치가 필요하지 않다.

ABSTRACT

Trading on decentralized exchanges has been one of the primary use cases for permissionless blockchains with daily trading volume exceeding billions of U.S.~dollars. In the status quo, users broadcast transactions and miners are responsible for composing a block of transactions and picking an execution ordering -- the order in which transactions execute in the exchange. Due to the lack of a regulatory framework, it is common to observe miners exploiting their privileged position by front-running transactions and obtaining risk-fee profits. In this work, we propose to modify the interaction between miners and users and initiate the study of {\em verifiable sequencing rules}. As in the status quo, miners can determine the content of a block; however, they commit to respecting a sequencing rule that constrains the execution ordering and is verifiable (there is a polynomial time algorithm that can verify if the execution ordering satisfies such constraints). Thus in the event a miner deviates from the sequencing rule, anyone can generate a proof of non-compliance. We ask if there are sequencing rules that limit price manipulation from miners in a two-token liquidity pool exchange. Our first result is an impossibility theorem: for any sequencing rule, there is an instance of user transactions where the miner can obtain non-zero risk-free profits. In light of this impossibility result, our main result is a verifiable sequencing rule that provides execution price guarantees for users. In particular, for any user transaction A, it ensures that either (1) the execution price of A is at least as good as if A was the only transaction in the block, or (2) the execution price of A is worse than this ``standalone'' price and the miner does not gain (or lose) when including A in the block.

연구 동기 및 목표

• 탈중앙화된 거래소(DEx)에서 마이너가 블록 순서 권한을 악용해 위험 없는 수익을 추출하는 문제를 해결하기 위해.
• 마이너 행동을 제약하고 일정 함수 시장 메이커(CFMM, 예: Uniswap 방식의 DEx)에서의 가격 조작을 방지하는 신뢰할 수 있고 검증 가능한 순서 지침 프레임워크를 설계하기 위해.
• 사용자가 방어 전략(예: 한도 주문 또는 거래 분할)을 사용하지 않아도 악성 거래를 피할 수 있도록 하기 위해.
• 순서 지침이 신뢰할 수 있고 검증 가능하며 강제로 이행될 수 있는 방식으로 마이너 추출 가치(MEV)를 제한할 수 있는지 공식적으로 분석하기 위해.
• 기존 마이너에 대한 신뢰 없이도 현실적인 시장 조건 하에서 강력한 가격 보장을 제공하는 실용적이고 구현 가능한 규칙을 제공하기 위해.

제안 방법

• 다른 당사자가 다항 시간 알고리즘을 사용해 효율적으로 검증할 수 있는 순서 지침의 개념을 도입한다. 이는 블록 내 거래 순서를 제약하는 규칙이다.
• 사용자 거래 A에 대해 (1) A가 블록에 단독으로 존재할 경우와 동일하거나 더 좋은 실행 가격을 확보하거나, (2) 가격이 악화된 경우 마이너가 A를 포함했을 때 수익을 얻지 못하는 것을 보장하는 새로운 순서 지침을 설계한다.
• 암호학적 및 게임 이론 기법을 사용하여 규칙에서 벗어나면 공개적으로 증명할 수 있도록 하여 온체인 강제 이행을 가능하게 한다.
• Uniswap와 같은 CFMM 모델을 사용하는 이중 토큰 유동성 풀에 이 프레임워크를 적용한다.
• 제안된 규칙 하에서의 전략적 행동을 분석하기 위해 마이너 인cent티브와 사용자 주문 제출의 형식적 모델을 사용한다.
• 규칙이 계산적으로 효율적이며 기존 블록체인 인프라와 호환되며, 사용자 행동이나 스마트 컨tracts 로직의 변경 없이도 작동함을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탈중앙화된 거래소에서 마이너가 프론트런닝을 통해 위험 없는 수익을 추출하는 것을 어떤 순서 지침이라도 신뢰할 수 있게 방지할 수 있는가?
• RQ2 사용자가 방어 전략을 채택하지 않아도 공정한 실행 가격을 보장하는 검증 가능한 순서 지침을 설계할 수 있는가?
• RQ3 CFMM 기반 DEx에서 마이너 조작을 방지하는 데 있어 순서 지침의 근본적 한계는 무엇인가?
• RQ4 위반 사항이 감지되고 증명 가능하도록 하여 온체인 강제 이행이 가능한 순서 지침을 구성할 수 있는가?
• RQ5 사용자에게 악화된 실행 가격을 초래하는 거래를 포함했을 때 마이너가 수익을 얻지 못하는 조건는 무엇인가?

주요 결과

• 논문은 불가능성 정리(Impossibility Theorem)를 확립한다: 어떤 순서 지침이라도 마이너가 비제로 위험 없는 수익을 추출할 수 있는 사용자 거래 집합이 존재한다.
• 이 불가능성에도 불구하고, 저자들은 사용자가 독립적으로 거래했을 때의 가격보다 나아지거나, 마이너가 거래를 포함했을 때 수익을 얻지 못하는 경우에만 사용자가 가격을 확보할 수 있도록 보장하는 검증 가능한 순서 지침을 설계한다.
• 제안된 규칙는 규칙이 올바르게 시행된다면, 마이너가 사용자를 해치는 방식으로 거래 순서를 조작해 수익을 얻는 것을 방지한다.
• 규칙는 다항 시간 알고리즘을 통해 검증 가능하므로, 누구나 온체인에서 마이너의 비준수를 감지하고 증명할 수 있다.
• 사용자가 한도 가격을 설정하거나, 거래를 분할하거나, 기타 대응 조치를 취할 필요가 없어지며, 이는 사용자 경험을 향상시킨다.
• 결과는 CFMM(예: Uniswap 방식 풀)의 표준 가정 하에서도 성립하므로, 실제 DEx에 직접 적용 가능하다.