[论文解读] Quantifying Blockchain Extractable Value: How dark is the forest?

Kaihua Qin, Liyi Zhou+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2021

Blockchain Technology Applications and Security被引用 33

一句话总结

本文在以太坊上对区块链可提取价值（BEV）在32个月内进行量化，重点关注 sandwich attacks、liquidations、arbitrage，以及一种广义的交易重放方法，并分析 BEV relay 系统。

ABSTRACT

Permissionless blockchains such as Bitcoin have excelled at financial services. Yet, opportunistic traders extract monetary value from the mesh of decentralized finance (DeFi) smart contracts through so-called blockchain extractable value (BEV). The recent emergence of centralized BEV relayer portrays BEV as a positive additional revenue source. Because BEV was quantitatively shown to deteriorate the blockchain's consensus security, BEV relayers endanger the ledger security by incentivizing rational miners to fork the chain. For example, a rational miner with a 10% hashrate will fork Ethereum if a BEV opportunity exceeds 4x the block reward. However, related work is currently missing quantitative insights on past BEV extraction to assess the practical risks of BEV objectively. In this work, we allow to quantify the BEV danger by deriving the USD extracted from sandwich attacks, liquidations, and decentralized exchange arbitrage. We estimate that over 32 months, BEV yielded 540.54M USD in profit, divided among 11,289 addresses when capturing 49,691 cryptocurrencies and 60,830 on-chain markets. The highest BEV instance we find amounts to 4.1M USD, 616.6x the Ethereum block reward. Moreover, while the practitioner's community has discussed the existence of generalized trading bots, we are, to our knowledge, the first to provide a concrete algorithm. Our algorithm can replace unconfirmed transactions without the need to understand the victim transactions' underlying logic, which we estimate to have yielded a profit of 57,037.32 ETH (35.37M USD) over 32 months of past blockchain data. Finally, we formalize and analyze emerging BEV relay systems, where miners accept BEV transactions from a centralized relay server instead of the peer-to-peer (P2P) network. We find that such relay systems aggravate the consensus layer attacks and therefore further endanger blockchain security.

研究动机与目标

• 量化在以太坊上来自已知交易活动（sandwich attacks、liquidations、arbitrage）的真实世界 BEV，时间跨度为32个月。
• 估算来自广义交易重放攻击的利润并评估其对 BEV 的影响。
• 形式化并分析 BEV 中继概念及其对区块链安全的影响。
• 评估 BEV 活动与区块链安全风险和矿工激励之间的关系。

提出的方法

• 收集并分析来自 Uniswap V1/V2/V3、Sushiswap、Curve、Swerve、1inch、Bancor 的链上数据，用于 sandwich attacks 和 arbitrage；来自 Aave、Compound、dYdX 的数据用于 liquidations。
• 在区块和内存池状态中定义识别三明治攻击、清算和套利事件的启发式方法。
• 在执行时或通过平台价格将检测到的 BEV 交易转换为 USD 以计算利润。
• 开发并实证评估一个广义交易重放算法，该算法复制受害者交易以提取收入。
• 将 BEV 中继概念形式化为交易者与矿工之间的 BEV 交易转发或中继。
• 评估 gas 价格分布和策略（前跑、后跑、私有中继）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在观察期内，从 sandwich attacks、liquidations、arbitrage 获得的总 BEV 利润是多少？
• RQ2 广义交易重放攻击可以扩展多少 BEV？
• RQ3 BEV 中继在区块链安全和网络开销中的作用和影响是什么？
• RQ4 BEV 中占主导地位的行为模式（前跑 vs 后跑）以及交易费动态是什么？
• RQ5 私有中继的 BEV 交易有多普遍，它们带来多少利润？

主要发现

• 来自 sandwich attacks、liquidations 和 arbitrage 的 BEV 在 32 个月内总计为 540.54M USD，覆盖 11,289 个地址和 49,691 种加密货币，覆盖 60,830 个链上市场。
• 观察到的最高 BEV 实例为 4.1M USD，约为以太坊区块奖励的 616.6 倍。
• 一种新颖的交易重放算法本可以产生 35.37M USD 的收益，在 BEV 上再增加 35.18M USD，同时仅与极小部分事件相交。
• 私有中继（零 gas 价格）在 31.98% 的 sandwich attacks 中使用，产生 81.04M USD 的利润，显示 BEV 中继对利润的贡献显著。
• 清算（固定价差）在 28 个月内通过 31,057 次事件产生 89.18M USD，其中前跑占清算的 74.50%。
• 套利交易总计 277.02M USD，覆盖 1,151,448 次交易，9.6% 为私人中继，产生 82.75M USD。
• 套利模式通常为两市场或三市场（两点/三角形），大多数涉及 ETH、USDC、USDT 和 DAI（99.91%）。
• BEV 中继者可能增加区块链分叉和链重组的数量，潜在地恶化共识层安全性。