[论文解读] Barriers to Collusion-resistant Transaction Fee Mechanisms

Yotam Gafni, Aviv Yaish|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2024

Radioactive element chemistry and processing被引用 4

一句话总结

本文通过证明在区块链交易费用机制中，不存在非平凡的确定性交易费用机制（TFM）能同时满足主导策略激励相容性（DSIC）、短期矿工激励相容性（MMIC）和离线协议（OCA）抗性——即无法在抵抗用户与矿工合谋的同时公平且盈利地分配交易。关键结果表明，唯一满足所有三个属性的机制是平凡机制（矿工收入为零），且即使在随机机制中，最坏情况下的效率上限也仅为84.2%。

ABSTRACT

To allocate transactions to blocks, cryptocurrencies use an auction-like transaction fee mechanism (TFM). A conjecture of Roughgarden [44] asks whether there is a TFM that is incentive compatible for both the users and the miner, and is also resistant to off-chain agreements (OCAs) between these parties, a collusion notion that captures the ability of users and the miner to jointly deviate for profit. The work of Chung and Shi [12] tackles the problem using the different collusion resistance notion of side-channel proofness (SCP), and shows an impossibility given this notion. We show that OCA-proofness and SCP are different, with SCP being strictly stronger. We then fully characterize the intersection of deterministic dominant strategy incentive-compatible (DSIC) and OCA-proof mechanisms, as well as deterministic MMIC and OCA-proof ones, and use this characterization to show that only the trivial mechanism is DSIC, myopic miner incentive-compatible (MMIC) and OCA-proof. We also show that a randomized mechanism can be at most 0.842-efficient in the worst case, and that the impossibility of a non-trivial DSIC, MMIC and OCA-proof extends to a couple of natural classes of randomized mechanisms.

研究动机与目标

• 解决Roughgarden提出的开放问题：是否存在非平凡的、满足DSIC、MMIC和OCA抗性的交易费用机制（TFM）？
• 澄清OCA抗性与先前工作中使用的更强的侧信道抗性（SCP）概念之间的区别。
• 对确定性和随机设置下的DSIC+OCA抗性以及MMIC+OCA抗性机制进行全面表征。
• 在相同约束条件下，为随机机制建立效率的紧致上界。
• 考察匿名性假设对不可能性结果的影响，扩展至非匿名机制。

提出的方法

• 提出一种新颖的OCA抗性机制表征方式，即‘已发布烧毁’机制，其中设定一个固定的保留烧毁额r，所有支付必须至少为r，且所有支付均被完全烧毁。
• 以单投标者情形作为基础洞察：由于投标者与矿工之间的效用一致，所有支付必须被烧毁，意味着矿工收入为零。
• 通过证明最高投标者与矿工总能合谋以获取最大联合效用，将此洞察扩展至多投标者情形，从而迫使机制采用已发布烧毁结构。
• 运用积分边界和效用比较等分析技术，推导随机机制中的效率极限，尤其关注分配概率与支付规则。
• 对分配函数和支付函数进行变换，利用对数不等式和积分不等式推导矿工收入与效率的上界。
• 同时考虑匿名与非匿名机制，表明即使在无匿名性假设下，唯一满足所有三个属性的机制也必须具有唯一固定的投标者。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在一种非平凡的确定性交易费用机制，使其满足DSIC、MMIC和OCA抗性？
• RQ2 OCA抗性与先前工作中使用的更强的SCP（侧信道抗性）概念有何关系？
• RQ3 随机DSIC、MMIC和OCA抗性机制所能实现的最大效率是多少？
• RQ4 确定性机制的不可能性结果能否扩展至自然类别的随机机制？
• RQ5 匿名性假设如何影响满足所有三个属性的机制的可行性？

主要发现

• 唯一满足DSIC、MMIC和1-OCA抗性的确定性机制是平凡机制，即从不分配任何交易，因此矿工收入为零。
• OCA抗性严格弱于SCP，因为存在满足OCA抗性但不满足SCP的机制，表明SCP是更强的合谋抵抗要求。
• 对于随机机制，最坏情况下的最大效率被限制在0.842，意味着任何此类机制在最坏情况下都无法实现最优社会福利的84.2%以上。
• 即使在尺度不变性条件下，唯一满足DSIC、MMIC和OCA抗性的机制仍是平凡机制，表明该不可能性结果在自然机制类别中具有鲁棒性。
• 在非匿名情形下，所有可行机制必须指定一个唯一的固定投标者，使其在烧毁的已发布价格结构下获得分配，严重限制了设计自由度。
• 确定性机制的不可能性结果可扩展至满足温和条件的随机机制，即使在放宽设置下，效率也与1保持一定距离。