[논문 리뷰] F3B: A Low-Overhead Blockchain Architecture with Per-Transaction Front-Running Protection

Haoqian Zhang, Louis-Henri Merino외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 17.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 5

한 줄 요약

F3B는 일괄 처리 전까지 거래를 암호화하는 임계값 암호 기법을 사용해 거래당 프론트런닝을 방지하는 저오버헤드 블록체인 아키텍처이다. 이는 기존 합의 알고리즘 또는 스마트 컨tracts를 수정하지 않고도 에테레움에서 0.026%의 지연 시간 오버헤드만을 유발하며, 최종화 이후에만 비밀 분할 위원회가 거래를 복호화하도록 하여 기밀성을 보장한다.

ABSTRACT

Front-running attacks, which benefit from advanced knowledge of pending transactions, have proliferated in the blockchain space since the emergence of decentralized finance. Front-running causes devastating losses to honest participants and continues to endanger the fairness of the ecosystem. We present Flash Freezing Flash Boys (F3B), a blockchain architecture that addresses front-running attacks by using threshold cryptography. In F3B, a user generates a symmetric key to encrypt their transaction, and once the underlying consensus layer has finalized the transaction, a decentralized secret-management committee reveals this key. F3B mitigates front-running attacks because, before the consensus group finalizes it, an adversary can no longer read the content of a transaction, thus preventing the adversary from benefiting from advanced knowledge of pending transactions. Unlike other mitigation systems, F3B properly ensures that all unfinalized transactions, even with significant delays, remain private by adopting per-transaction protection. Furthermore, F3B addresses front-running at the execution layer; thus, our solution is agnostic to the underlying consensus algorithm and compatible with existing smart contracts. We evaluated F3B on Ethereum with a modified execution layer and found only a negligible (0.026%) increase in transaction latency, specifically due to running threshold decryption with a 128-member secret-management committee after a transaction is finalized; this indicates that F3B is both practical and low-cost.

연구 동기 및 목표

• 디파이에서 증가하는 프론트런닝 위협으로 인한 공정성 훼손과 심각한 재정적 손실을 해결하기 위해.
• 기존 합의 알고리즘 또는 스마트 컨tracts를 수정하지 않고도 거래당 프론트런닝 보호를 제공하는 블록체인 아키텍처를 설계하기 위해.
• 모든 미확정 거래에 대해 강력한 기밀성 보장을 확보하면서도 네트워크 지연 상황에서도 지연 시간 오버헤드를 최소화하기 위해.
• 에테레움의 실행 계층과 통합하고 효율적인 임계값 암호 기법을 사용하여 실용적인 구현을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 사용자가 거래를 블록체인에 제출하기 전에 비밀 관리 위원회(SMC)와 함께 대칭 암호화를 수행한다.
• 합의 그룹이 거래를 최종화한 후에만 SMC가 공유를 공개하는 임계값 복호화 프로토콜을 구현한다.
• 키 관리의 유연성과 사전 처리 비용 사이의 트레이드오프를 제공하는 두 가지 암호 기법—TDH2와 PVSS—를 활용한다.
• 블록체인에 암호화된 거래의 스팸을 방지하기 위해 예치금 환불 저장 수수료를 도입한다.
• 지연 실행 및 복호화를 지원하도록 에테레움의 실행 계층을 수정한다.
• 암호 해독 키를 블록체인 메타데이터로 저장하여 합의 노드에서의 가용성과 일관성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 합의 알고리즘 또는 스마트 컨트랙트를 수정하지 않고도 실행 계층에서 프론트런닝을 완화할 수 있는가?
• RQ2 임계값 복호화를 통한 거래당 기밀성 보장을 달성하기 위해 필요한 최소 지연 시간 오버헤드는 얼마인가?
• RQ3 거래가 지연되거나 빠르게 최종화되지 않을 경우에도 거래 기밀성이 유지될 수 있는가?
• RQ4 최종화 이후에만 암호 해독 키를 공개하도록 비밀 관리 위원회를 안전하고 효율적으로 조율할 수 있는가?
• RQ5 기존의 '커밋-레벨' 또는 블록 단위 암호화 기법과 비교해 성능과 보안 측면에서 제안된 시스템은 어떻게 성과를 내는가?

주요 결과

• TDH2 기반의 128인자 비밀 관리 위원회를 사용할 경우 F3B는 에테레움에서 단지 0.026%의 지연 시간 오버헤드를 기록한다.
• PVSS 기반 변형은 0.027%의 지연 시간 오버헤드를 유발하며, 거래량에 관계없이 거의 일정한 성능을 보인다.
• 시스템은 기존 합의 메커니즘—예: 스테이킹 기반, 권한 기반, 작업 증명 기반—과 완전히 호환된다.
• 네트워크 지연 상황에서도 거래가 최종화될 때까지 기밀성을 유지함으로써 프론트런닝을 방지한다.
• F3B는 블록체인 통신 3라운드로 인해 200%의 지연 시간 오버헤드를 유발하는 Submarine보다 뛰어난 성능을 보인다.
• 거래당 블록체인에 기록되는 라인 수가 단 한 번뿐이므로 스토리지 및 지연 시간 비용을 최소화한다.