[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出可验证的排序规则，以防止去中心化交易所（DEX）中的矿工抢先交易行为，确保用户获得公平的执行价格。论文证明了任何排序规则都无法完全消除无风险套利的可能性，但提出了一种可验证的规则，可保证用户要么获得不低于其单独交易时的执行价格，要么矿工在包含其交易时无法获利，且无需用户端的防御措施。

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.

研究动机与目标

• 解决去中心化交易所（DEX）中矿工利用其区块排序权力进行抢先交易以获取无风险套利的问题。
• 设计一个框架，确保可信且可验证的排序规则，以约束矿工行为，并防止在常数函数做市商（如Uniswap风格DEX）中的价格操纵。
• 消除用户采用限价单或交易拆分等防御策略以避免掠夺性交易的需要。
• 正式分析排序规则是否能够以可信、可执行且可验证的方式限制矿工可提取价值（MEV）。
• 提供一种实用且可部署的规则，在现实市场条件下提供强有力的执行价格保障，且无需依赖对矿工的信任。

提出的方法

• 引入可验证排序规则的概念——即约束区块内交易顺序的规则，且任何参与方均可使用多项式时间算法高效验证。
• 设计一种新颖的排序规则，确保对于任意用户交易A，要么（1）执行价格不低于A单独存在于区块中的情况，要么（2）若价格更差，则矿工无法从包含A中获利。
• 利用密码学与博弈论技术，确保任何对规则的偏离均可被公开证明，从而支持链上执行。
• 将该框架应用于使用常数函数做市商（CFMM）模型的双代币流动性池，如Uniswap。
• 采用矿工激励与用户订单提交的正式模型，分析在所提规则下策略性行为的表现。
• 证明该规则在计算上高效，并与现有区块链基础设施兼容，无需修改用户行为或智能合约逻辑。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在某种排序规则，能够可信地防止矿工通过在去中心化交易所中抢先交易来提取无风险套利？
• RQ2 是否可能设计一种可验证的排序规则，确保公平的执行价格，且无需用户采用防御性策略？
• RQ3 排序规则在防止基于CFMM的DEX中矿工操纵行为方面存在哪些根本性限制？
• RQ4 能否构建一种排序规则，使得偏离行为可被检测并可证明，从而支持链上执行？
• RQ5 在何种条件下，当矿工包含某笔交易导致用户执行价格变差时，矿工无法获利？

主要发现

• 本文建立了不可能性定理：对于任何排序规则，都存在一组用户交易，使得矿工能够提取非零的无风险套利利润。
• 尽管存在这一不可能性，作者设计了一种可验证的排序规则，可确保用户要么获得不低于其单独执行价格的执行价，要么矿工在包含其交易时无法获利。
• 所提规则保证，只要规则被正确执行，任何矿工都无法通过操纵交易顺序来损害用户利益并获利。
• 该规则可通过多项式时间算法验证，使任何人能够链上检测并证明矿工的不合规行为。
• 该框架无需用户设置限价、拆分交易或使用其他防御措施，从而显著提升用户体验。
• 该结果在CFMM的标准假设下成立（如Uniswap风格池），因此可直接应用于现实世界的DEX。