[論文レビュー] Credible Decentralized Exchange Design via Verifiable Sequencing Rules

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

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 34被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、分散型為替取引所（DEX）におけるマイナーのフロントランを防ぐために検証可能な順序付けルールを提案し、ユーザーが公正な執行価格を得ることを保証する。いかなる順序付けルールに対してもリスクフリーな利益を完全に排除することは不可能であることを証明するが、ユーザーが自ら対策を講じる必要がなく、ユーザーが単独で取引を行う場合の価格以上に執行されるか、もしくはマイナーが取引を含めても利益を得られないことを保証する検証可能なルールを導入する。

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.

研究の動機と目的

• 分散型為替取引所（DEX）におけるマイナーのフロントラン問題に対処すること。ここでは、マイナーがブロック順序付けの権限を悪用してリスクフリーな利益を獲得する。
• マイナーの行動を制限し、定数関数市場メイカー（CFMM）（例：Uniswap風のDEX）における価格操作を防ぐ、信頼性があり検証可能な順序付けルールのフレームワークを設計すること。
• ユーザーが防衛戦略（例：限界注文や取引の分割）を採用する必要をなくすこと。
• 順序付けルールが、実行可能で検証可能である形で、マイナー抽出可能価値（MEV）を真正に制限できるかどうかを形式的に分析すること。
• 現実の市場状況下で強力な価格保証を提供するが、マイナーの信頼に依存しない実用的で導入可能なルールを提供すること。

提案手法

• 検証可能な順序付けルールの概念を導入。これはブロック内の取引順序を制約するルールであり、任意の当事者が多項式時間アルゴリズムを用いて効率的に検証可能である。
• 任意のユーザー取引Aについて、(1) Aがブロック内で単独で存在する場合の執行価格以上に良い価格が得られる、または(2) 価格が悪化した場合、マイナーがAの取引を含めても利益を得られないことを保証する、革新的な順序付けルールを設計。
• 暗号技術およびゲーム理論的手法を用いて、ルールからの逸脱が公開的に証明可能であることを保証し、オンチェーンでの強制を可能にする。
• UniswapなどのCFMMモデルを用いた二資産流動性プールにこのフレームワークを適用。
• 提案されたルール下での戦略的行動を分析するために、マイナーのインcentivesとユーザーの注文提出の形式的モデルを採用。
• ルールが計算的に効率的であり、既存のブロックチェーンインfraに適合可能であり、ユーザーの行動やスマートコントラクト論理の変更を一切不要としないことを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散型為替取引所において、いかなる順序付けルールでも、マイナーがフロントランによるリスクフリーな利益を完全に防げるか。
• RQ2 ユーザーが防衛戦略を採用する必要がなく、公正な執行価格を保証する検証可能な順序付けルールを設計することは可能か。
• RQ3 CFMMベースのDEXにおけるマイナーの操作を防ぐために、順序付けルールにどのような根本的制限があるか。
• RQ4 ルールの逸脱が検出可能かつ証明可能であるような順序付けルールを構築することは可能か。これによりオンチェーンでの強制が可能になる。
• RQ5 ユーザーの執行価格が悪化する取引を含めた場合、マイナーが利益を得ないのはどのような条件下か。

主な発見

• 本稿は、不可能性定理を確立する。いかなる順序付けルールに対しても、マイナーが非ゼロのリスクフリーな利益を獲得可能なユーザー取引の集合が存在する。
• この不可能性にもかかわらず、著者らは検証可能な順序付けルールを設計し、ユーザーが単独で取引を行う場合の価格以上に執行されるか、もしくはマイナーが取引を含めても利益を得られないことを保証する。
• ルールが正しく強制されれば、いかなるマイナーもユーザーに悪影響を及ぼすような順序の操作から利益を得ることはできない。
• ルールは多項式時間アルゴリズムにより検証可能であり、誰もがオンチェーン上でマイナーの不適合を検出・証明可能である。
• ユーザーが限界価格を設定したり、取引を分割したり、その他の対策を講じる必要がないため、ユーザーエクスペリエンスが向上する。
• 結果は、標準的なCFMMの仮定（例：Uniswap風のプール）のもとで成り立つため、実世界のDEXに直接適用可能である。