[논문 리뷰] Flash Boys 2.0: Frontrunning, Transaction Reordering, and Consensus Instability in Decentralized Exchanges

Philip Daian, Steven Goldfeder외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 10.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 29인용 수 61

한 줄 요약

본 논문은 이더리움의 MEV를 문서화하고 분석하며, 순수 수익 차익 거래, 우선 가스 경매(PGAs), 그리고 그로 인한 합의-보안 위험을 다루는 가운데, 타임-밴딧과 포킹 공격을 포함한다.

ABSTRACT

Blockchains, and specifically smart contracts, have promised to create fair and transparent trading ecosystems. Unfortunately, we show that this promise has not been met. We document and quantify the widespread and rising deployment of arbitrage bots in blockchain systems, specifically in decentralized exchanges (or "DEXes"). Like high-frequency traders on Wall Street, these bots exploit inefficiencies in DEXes, paying high transaction fees and optimizing network latency to frontrun, i.e., anticipate and exploit, ordinary users' DEX trades. We study the breadth of DEX arbitrage bots in a subset of transactions that yield quantifiable revenue to these bots. We also study bots' profit-making strategies, with a focus on blockchain-specific elements. We observe bots engage in what we call priority gas auctions (PGAs), competitively bidding up transaction fees in order to obtain priority ordering, i.e., early block position and execution, for their transactions. PGAs present an interesting and complex new continuous-time, partial-information, game-theoretic model that we formalize and study. We release an interactive web portal, http://frontrun.me/, to provide the community with real-time data on PGAs. We additionally show that high fees paid for priority transaction ordering poses a systemic risk to consensus-layer security. We explain that such fees are just one form of a general phenomenon in DEXes and beyond---what we call miner extractable value (MEV)---that poses concrete, measurable, consensus-layer security risks. We show empirically that MEV poses a realistic threat to Ethereum today. Our work highlights the large, complex risks created by transaction-ordering dependencies in smart contracts and the ways in which traditional forms of financial-market exploitation are adapting to and penetrating blockchain economies.

연구 동기 및 목표

• 탈중앙화 거래소(DEX)에서의 차익 거래 봇 생태계를 문서화하고 정량화한다.
• 마이너/추출가능 가치(MEV)와 우선 가스 경매(PGA)를 정의하고 분석한다.
• PGA 게임을 모델링하고 실증 데이터로 검증한다.
• MEV로부터 발생하는 합의 계층 보안 위험을 보여주며, 타임-밴딧 공격과 수수료 기반 포킹 위협을 포함한다.
• 실시간 MEV 인사이트를 위해 커뮤니티에 데이터와 도구(frontRun.me)를 제공한다.

제안 방법

• 여러 소스의 온체인 데이터와 메모풀 기반 도구 구성을 사용한 차익 거래 현황의 실증적 측정.
• 고가의 가스 대체 거래를 관찰하기 위한 지리적으로 분산된 이더리움 모니터를 갖춘 실험적 PGA 측정 해네스 개발.
• PGA 메커니즘을 연속 시간(continuous-time), 부분 정보 게임으로 형식적으로 모델링한다.
• 정렬 최적화를 포함한 더 넓은 현상으로서의 MEV와 합의 보안에 대한 영향을 분석한다.
• 코드, 데이터, 실시간 프런티어 대시보드(frontier dashboard)(frontrun.me) 오픈 소스로 공개한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 오늘날 이더리움의 순수 수익 차익 거래 경제의 하한 규모는 얼마인가?
• RQ2 차익 거래 봇들 사이에서 우선 가스 경매(PGAs)는 어떻게 작동하며 어떤 전략이 등장하는가?
• RQ3 마이너 추출 가능 가치(MEV)는 무엇이며, 거래 순서가 합의 보안에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 실제로 MEV가 이더리움에서 타임-밴딧 및 수수료 기반 포킹 공격을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 저자들은 지금까지 순수 수익 차익 거래 경제의 하한을 USD 6M를 넘는 것으로 설정한다.
• 차익 거래 봇은 우선 가스 경매(PGAs)에 참여하여 가스 가격을 올리고 블록 포함을 확보하며 다중 거래 원자적 트랜잭션에서 이익을 얻는다.
• MEV는 수수료 기반 포킹 공격과 타임-밴딧 공격을 포함한 합의 계층의 시스템적 취약성을 야기한다.
• 실증 관찰에는 708,385,840 고유 PGA 관찰이 six geo-distributed nodes 전역 분포에서 이루어졌고 거래량 기준 상위 다섯 DEX에 초점을 둔다.
• 순수 수익 기회로부터의 중앙값 이익은 약 65%이며, 관찰된 순수 수익 거래 138,948건 전체에서 수익 기회 크기에 해당한다.
• 본 연구는 실시간 공개 데이터 포털 (frontrun.me)과 PGA/MEV 역학을 연구하고 검증하기 위한 오픈 소스 데이터/코드를 제공한다.