기술 요약: 프라이빗 L2 멤풀에서의 샌드위치 공격

문제 정의

이더리움 레이어 1(L1)에서 흔한 MEV(Maximal Extractable Value) 형태인 샌드위치 공격은, 공격자가 피해자의 거래 이전에 프런트러닝(front-run) 트랜잭션을 배치하고, 그 결과로 발생하는 가격 충격으로부터 이익을 취하기 위해 직후에 백러닝(back-run) 트랜잭션을 배치하는 것을 포함한다. 레이어 2(L2) 롤업은 이러한 공격을 완화하기 위해 중앙화된 시퀀서가 관리하는 프라이빗 멤풀을 사용하는 경우가 많지만, 초기 경험적 증거들은 샌드위치 패턴이 이러한 환경에서도 지속된다는 점을 시사했다.

본 논문이 다루는 핵심 문제는 샌드위치 공격의 이론적 수익성과 L2에서 이를 실행하는 실제 현실 사이의 괴리이다. 구체적으로, 저자들은 프라이빗 멤풀을 통한 공용 멤풀의 제거와 보장된 원자적 포함(atomic inclusion, 빌더 마켓을 통해)의 부재가 샌드위치 공격을 수익성이 없게 만드는지, 아니면 단지 확률적인 문제로 만드는지, 그리고 기존의 탐지 휴리스틱이 실제 공격을 정확히 식별하는지 아니면 단순한 무해한 차익거래와 혼동하고 있는지를 조사한다.

방법론

이론적 모델링

저자들은 기존의 MEV 모델을 프라이빗 멤풀을 사용하는 L2 롤업의 맥락으로 확장한다:

1. 수익성 모델: 이들은 CPMM(Constant Product Market Makers) 및 CLMM(Concentrated Liquidity Market Makers, 예: Uniswap v3) 모두에 대한 최적의 공격 규모 전략을 도출한다.
   • "소규모 거래 영역"(L2의 전형적인 특징)에서, 최적의 프런트러닝 규모($V_f$)는 단일 유동성 틱(tick) 내에서 피해자 거래 규모($V_v$)의 약 절반임을 보여준다.
   • CLMM의 경우, 공격자가 거래를 유동성이 낮은 영역으로 밀어내어 틱 경계를 넘나들게 함으로써 불연속적인 이익 점프를 생성할 수 있음을 식별한다.
2. 실행 가능성 모델: 번들 마켓을 통해 원자적 포함을 보장하는 L1과 달리, L2는 시퀀서의 순서 정하기에 의존한다. 저자들은 성공적인 공동 포함 확률($p_{co-inc}$)을 다음의 함수로 모델링한다:
   • 배칭 제약 조건: 프런트런, 피해자, 백런 트랜잭션이 동일한 마이크로 배치에 포함될 확률.
   • 시퀀서 정책: First-Come-First-Served(FCFS)와 Priority Gas Auction(PGA) 순서 지정의 차이.
   • 지연 시간(Latency): 도착 시간에 영향을 미치는 네트워크 변동성.
   • 모델은 L2에서의 공동 포함 확률이 낮음(0.05–0.20)을 결론지으며, 이는 실행을 결정론적이라기보다 본질적으로 확률적으로 만든다.

경험적 분석

저자들은 2025년 1월부터 9월까지 5개의 주요 롤업(Arbitrum, Base, Optimism, Unichain, ZKsync)의 트랜잭션 레벨 데이터를 사용하여 대규모 경험적 연구를 수행했다.

1. 데이터 수집: 스왑 이벤트 로그, 트랜잭션 트레이스 및 풀 유동성 데이터를 추출했다.
2. 정교화된 휴리스틱: 단순한 탐지 방식(공유된 라우터를 단일 행위자로 오인하는 경우가 많음)에서 발생하는 위양성(false positives)을 피하기 위해 엄격한 귀속 방법론을 구현했다:
   • 사전 필터링: 원자적 차익거래 트랜잭션을 제외함.
   • 행위자 귀속: 공유 인프라를 통해 라우팅되는 트랜잭션과 커스텀 실행 컨트랙트를 사용하는 트랜잭션을 구분함(자금 조달 EOA를 행위자로 할당).
   • 패턴 매칭: 프런트와 백이 동일한 행위자 ID를 공유하고, 피해자와 다르며, 특정 순서 및 방향 제약을 만족하는 트리플 $(f, v, b)$를 식별함.
3. 경제적 일관성 검사: 후보 트리플을 다음과 같은 이론적 시그니처에 대해 평가했다:
   • 스케일링: 프런트런 규모가 피해자 규모에 비례하여 스케일링되는가 ($V_f \approx V_v/2$)?
   • 매칭: 프런트와 백의 규모가 서로 밀접하게 일치하는가?
   • 수익성: 슬리피지를 제외한 총 이익, 가스 비용을 제외한 순이익을 계산함.

주요 기여

1. 경험적 측정: ERC20 전송 추론이 아닌 엄격한 행위자 연결 휴리스틱과 스왑 이벤트 분석을 사용하여 L2 샌드위치 활동을 체계적으로 측정한 최초의 연구이다.
2. 이론적 확장: CLMM에서의 최적 샌드위치 규모에 대한 공식 모델을 제공하고, 프라이빗 멤풀에 의해 부과되는 실행 제약을 정량화하여 L2 샌드위칭이 확률적임을 입증한다.
3. 실행 가능성 분석: 원자적 포함 보장의 부재가 샌드위치 공격의 기대값을 크게 제한하며, 경제적으로 최적의 규모를 시도하더라도 종종 수익성을 없게 만든다는 것을 확립한다.

결과

1. 유병률 및 위양성

• 높은 위양성률: 단순한 휴리스틱은 샌드위치 활동을 크게 과장한다. 연구된 모든 롤업에서, 플래그가 지정된 "샌드위치 트리플"의 95% 이상이 경제적 일관성 검사를 통과하지 못했다.
• 상관관계 부족: 진정한 샌드위치는 프런트/백 거래가 피해자와 함께 스케일링되어야 한다. 데이터에 따르면 피해자와 프런트 간의 상관관계는 매우 낮으며(예: Optimism에서 0.03), 프런트와 백 사이의 매칭도 좋지 않다(중앙값 백/프론트 비율이 1.0에서 크게 벗어남).
• 차익거래 혼동: 대부분의 탐지된 패턴은 조정된 피해자 타겟팅보다는 순환 차익거래(cyclic arbitrage) 또는 동일 블록 내의 무관한 트랜잭션들의 일치로 설명된다.

2. 수익성

• 음(-)의 순수익: 모든 체인에서 후보 샌드위치의 중앙값 순 손익(PnL)은 음수이다.
  • 예시: Base의 경우 중앙값 순 PnL은 -$2.23 USD이며, Arbitrum은 -$0.80 USD이다.
• 미미한 총 이익: 가스와 슬리피지를 고려하기 전에도 중앙값 총 이익은 무시할 만한 수준이다(약 $0.001 USD 규모).
• 임계값: 이론적 모델링에 따르면, 낮은 공동 포함 확률을 가진 L2에서 샌드위치가 수익성을 갖기 위해서는 피해자 스왑 규모가 $1.5k–$3k를 초 exceed해야 한다. 그러나 관찰된 중앙값 피해자 스왑 규모는 일반적으로 $200에서$1,200 사이였으며, 이는 수익성 임계값보다 낮았다.

3. 봇 행동

• 낮은 효율성: 샌드위치 공격자로 지목된 주소들은 매우 낮은 "샌드위치 효율성"(전체 트랜잭션 볼륨 중 샌드위치의 비중)을 보이며, 종종 $10^{-3}$ 미만이다.
• 제너럴리스트 활동: 지목된 대부분의 봇은 광범위한 차익거래나 마켓 메이킹 전략에 참여하고 있으며, 샌드위치 유사 패턴은 주된 목적이라기보다 부수적인 결과물인 경우가 많다.

의의 및 결론

본 논문은 이더리움 L1의 샌드위치 공격이 L2 환경으로 일반화된다는 기존의 가설에 이의를 제기한다. 저자들은 다음과 같이 결론짓는다:

1. 샌드위칭은 드물고 수익성이 낮다: 현재 프라이빗 멤풀을 사용하는 L2에서 샌드위치 공격은 대체로 존재하지 않으며, 수익성이 없고, 무해한 차익거래 흐름과 구분이 어렵다.
2. 구조적 보호는 부수적이다: 샌드위칭이 적은 이유는 MEV에 대한 내재적인 구조적 보호 때문이 아니라, 프라이빗 멤풀, 중앙화된 시퀀싱, 그리고 저가치 스왑의 보편성 때문이다.
3. 측정의 정교화: 현재의 탐지 방법은 MEV 활동을 크게 과대평가하고 있다. 정확한 측정을 위해서는 진정한 피해자 타겟팅 공격과 무해한 차익거래를 구분하는 것이 필요하며, 특히 프라이빗 멤풀 맥락에서 그러하다.
4. 정책적 시사점: 시퀀싱 정책과 방어 메커니즘은 단순히 L1의 가정을 계승해서는 안 된다. 생태계가 공용 멤풀이나 주문 흐름 경매(order-flow auctions)로 진화함에 따라 샌드위칭의 실행 가능성 경계가 이동할 수 있으며, 이에 따른 경제적 위험의 재평가가 필요하다.

본 연구는 샌드위치 공격에 대한 이론적 틀은 여전히 유효하지만, 오늘날의 롤업 아키텍처가 가진 실질적인 실행 제약이 그 수익성을 효과적으로 무력화하고 있음을 시사한다.