[논문 리뷰] SoK: Decentralized Exchanges (DEX) with Automated Market Maker (AMM) Protocols

Jiahua Xu, Krzysztof Paruch외 2명|RePEc: Research Papers in Economics|2021. 03. 23.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 자동 시장 제안자(AMM) 프로토콜을 사용하는 탈중앙화 거래소(DEX)에 대한 첫 번째 체계적 지식 정리(SoK)를 제안하며, AMM 메커니즘을 모델링하고 보존 함수를 비교하며 슬리플리지와 분산 손실을 분석하기 위해 형식적 상태공간 프레임워크를 도입한다. 이 논문은 AMM 기반 DEX의 보안 및 프라이버시 문제에 대한 종합적인 조사를 제공하며, DeFi 분야의 향후 연구 및 프로토콜 개발을 위한 기초 분류 체계를 수립한다.

ABSTRACT

As an integral part of the decentralized finance (DeFi) ecosystem, decentralized exchanges (DEXs) with automated market maker (AMM) protocols have gained massive traction with the recently revived interest in blockchain and distributed ledger technology (DLT) in general. Instead of matching the buy and sell sides, automated market makers (AMMs) employ a peer-to-pool method and determine asset price algorithmically through a so-called conservation function. To facilitate the improvement and development of automated market maker (AMM)-based decentralized exchanges (DEXs), we create the first systematization of knowledge in this area. We first establish a general automated market maker (AMM) framework describing the economics and formalizing the system's state-space representation. We then employ our framework to systematically compare the top automated market maker (AMM) protocols' mechanics, illustrating their conservation functions, as well as slippage and divergence loss functions. We further discuss security and privacy concerns, how they are enabled by automated market maker (AMM)-based decentralized exchanges (DEXs)' inherent properties, and explore mitigating solutions. Finally, we conduct a comprehensive literature review on related work covering both decentralized finance (DeFi) and conventional market microstructure.

연구 동기 및 목표

• 상태공간 표현과 보존 함수를 사용하여 AMM 기반 DEX를 형식적이고 일반적인 프레임워크로 모델링하는 것.
• 보존 함수, 슬리플리지 및 분산 손실 특성 분석을 통해 주요 AMM 프로토콜을 체계적으로 비교하는 것.
• 프로토콜 설계 및 운영 특성에서 기인하는 고유의 보안 및 프라이버시 위험을 식별하고 분석하는 것.
• AMM 프로토콜, DeFi 시장 마이크로스트럭처 및 관련 보안 위협에 관한 기존 연구를 조사하고 분류하는 것.
• 분산된 통찰을 통합하여 일관된 지식 체계를 형성함으로써 향후 DeFi 분야의 연구 및 개발을 위한 체계적 기반을 제공하는 것.

제안 방법

• 상태공간 표현을 기반으로 한 일반적인 AMM 프레임워크를 제안하여 보존 함수를 통해 시스템 상태와 동역학을 모델링하는 것.
• 보존 함수의 수학적 형식화(예: 일정 곱, 가중치, 로그 마켓 스코링 규칙)를 활용해 프로토콜 메커니즘을 비교하는 것.
• 슬리플리지 및 분산 손실 함수를 유도하고 분석하여 AMM 프로토콜의 주요 경제적 성능 지표로 활용하는 것.
• DeFi, 시장 마이크로스트럭처 및 보안 위협(예: MEV, 프론트런닝, 블록체인 DoS 공격)을 포함한 문헌 리뷰를 체계적으로 수행하는 것.
• 실험적 연구, 시뮬레이션 및 사례 연구의 통찰을 통합하여 실제 조건에서 프로토콜 행동을 평가하는 것.
• 분류 기반 접근법을 사용하여 AMM 유형, 보안 취약점 및 대응 전략을 분류하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AMM 기반 DEX는 어떻게 통합된 상태공간 프레임워크를 사용하여 경제적 및 기계적 행동을 체계적으로 포괄적으로 형식화할 수 있는가?
• RQ2 주요 AMM 프로토콜 간의 보존 함수의 핵심 차이점은 무엇이며, 이는 가격 발견, 슬리플리지 및 일시적 손실에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 AMM 기반 DEX에 내재된 주요 보안 및 프라이버시 위협은 무엇이며, 이는 프로토콜 설계 및 블록체인 특성에서 어떻게 기인하는가?
• RQ4 경제적 효율성, 리스크 노출 및 시장 및 악성 조건에 대한 내성에 있어 기존 AMM 프로토콜들은 어떻게 비교되는가?
• RQ5 AMM 기반 DEX 설계 및 분석 분야에서의 주요 연구 격차와 열린 과제는 무엇이며, 이를 어떻게 체계적으로 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 상태공간 프레임워크는 다양한 AMM 프로토콜의 메커니즘을 성공적으로 추상화하고 형식화하여 보존 함수 간의 체계적 비교를 가능하게 한다.
• 일정 기능 시장 제안자(CFMM)는 예를 들어 일정 곱 모델과 같이 현재 AMM 생태계를 지배하고 있지만, 가격 변동성에 의해 상당한 슬리플리지와 분산 손실을 보인다.
• 분산 손실은 가격 이동과 초기 유동성 배분의 함수로 형식적으로 정량화되며, 자산 가격이 초기 값에서 벗어날 경우 유동성 제공자가 이에 대한 리스크를 떠넘긴다.
• MEV, 프론트런닝 및 L7 DDoS 공격과 같은 보안 위협은 블록체인 거래 순서의 공개성과 확률적 성격에서 기인하며, AMM 설계로 인해 악화된다.
• 온체인 거래의 투명성으로 인해 LP 포지션과 거래 패턴 추적 가능성이 발생하며, 현재 프로토콜에서는 이에 대한 제한된 대응 조치가 존재한다.
• 문헌 조사에서 AMM 보안, 특히 MEV 및 프론트런닝에 대한 연구가 증가하고 있음을 확인했지만, 경제적 및 보안 분석을 위한 통합된 형식적 모델의 부재를 지적한다.