기술 요약: Boost+: 공정하고 인센티브 호환적인 블록 빌딩

1. 문제 정의

탈중앙화 블록체인, 특히 이더리움의 블록 공간 희소성은 효율적인 할당을 필요로 합니다. 최대 추출 가능 가치(MEV)는 경쟁을 유도하지만, MEV-Boost를 중심으로 한 현재의 생태계는 **통합(integration)**으로 인해 고도로 중앙집중화되었습니다. 통합은 서처(searcher, 수익성 있는 트랜잭션을 생성하는 중개자)가 자신의 주문 흐름(order flow)을 단일 빌더에게만 독점적으로 전달할 때 발생합니다. 이러한 관행은 불공정한 이점을 창출하고, 경쟁을 왜곡하며, 호환 가능한 트랜잭션을 비통합 빌더로부터 배제함으로써 블록 공간의 효율성을 저해하고, 불투명한 오프체인 결제를 통해 MEV 흐름을 은폐합니다.

핵심 과제는 다음을 동시에 달성하는 시스템을 설계하는 것입니다:

1. 통합 유인을 제거 (주문 흐름에 대한 평등한 접근 보장).
2. 인센티브 호환성 보장 (서처와 빌더 모두에게 진실한 보고가 지배 전략이 되도록 함).
3. 경제적 효율성 유지 (사회적 후생을 극대화하는 블록 구축).
4. 엄격한 블록 생성 시간 제약(예: 12초 슬롯) 내에서 계산적 실행 가능성 유지.

BuilderNet과 같은 기존 제안들은 서처와 빌더 간의 상호작용을 명시적으로 규제하거나 주문 흐름이 처리되는 방식에 대한 규칙을 강제하지 않기 때문에 강력한 인센티브 호환성 보장을 제공하지 못합니다.

2. 방법론: Boost+ 프레임워크 및 MBoost+ 메커니즘

저자들은 트랜잭션 수집과 알고리즘 실행을 분리하고, 기밀성과 무결성을 보장하기 위해 신뢰 실행 환경(TEE) 내에서 실행되는 **Boost+**를 제안합니다. 이 시스템은 프로포저(Proposer), 빌더(Builder), **서처(Searcher)**라는 세 가지 행위자를 명시적으로 모델링합니다.

MBoost+ 메커즘

Boost+의 핵심인 MBoost+ 메커니즘은 최종 블록과 가치 할당을 결정하기 위해 두 단계로 작동합니다.

1. 충돌 없는 분리(Conflict-Free Separation): 메커니즘은 먼저 충돌 없는 번들(다른 번들이 건드리는 스토리지 슬롯을 읽거나 쓰지 않는 트랜잭션들)을 식별합니다. 이들은 메인 세트에서 분리되어 결과와 상관없이 최종 승리 블록에 추가되며, 순수 결제액은 입찰액과 동일하게 설정되어 항상 포함됩니다(환불 = 입찰액).
2. 2단계 실행:
   • 1단계 (기본 알고리즘): 시스템이 설계한 **기본 알고리즘(default algorithm)**이 나머지 번들을 처리하여 "기본 블록"($o^*$)을 생성하고, 각 번들에 대한 반사실적 블록($o_{-i}$)을 계산하여 환불액을 결정합니다. 이 단계는 후생과 환불의 기준점을 설정합니다.
   • 2단계 (빌더 알고리즘): 빌더들은 자신만의 블록 빌딩 알고리즘을 제출합니다. 메커니즘은 동일한 번들 세트에 대해 이 알고리즘들을 실행하여 후보 블록들을 생성합니다.
3. 승자 선정 및 결제:
   • 메커니즘은 기본 블록의 입찰가($\beta_0$)를 빌더가 제출한 블록의 입찰가($\beta_j$)와 비교합니다.
   • 기본 알고리즘이 승리하는 경우: 메커니즘은 기본 블록을 사용합니다. 서처는 자신의 입찰액을 지불하고, 기본 알고리즘의 반사실적 구조를 기반으로 계산된 환불액을 받으며, 프로포저는 잉여(surplus)를 받습니다. 빌더는 아무것도 받지 못합니다.
   • 빌더가 승리하는 경우: 승리한 빌더는 자신의 입찰액을 메커니즘에 지불합니다. 메커니즘은 (승자의 알고리즘이 아닌) 기본 알고리즘의 반사실적 구조를 기반으로 서처에게 환불을 수행하여, 서처가 승자의 특정 알고리즘에 의해 불이익을 받지 않도록 보장합니다. 승리한 빌더는 자신의 입찰액에서 두 번째로 높은 입찰액(또는 기본 입찰액)을 뺀 금액을 잉여로 받습니다. 이는 빌더 간의 second-price 경매를 실행하는 것과 같습니다.

이론적 보장

• Builder-DSIC: 빌더에게 있어 진실한 입찰은 지배 전략입니다. 왜냐하면 그들은 기본 알고리즘에 의해 설정된 유보 가격(reserve price)이 있는 second-price 경매에 참여하기 때문입니다.
• Searcher-DSIC (Default-Dominating): 기본 알고리즘이 모든 빌더보다 성능이 우수하다면, 진실한 입찰은 서처의 지배 전략이 됩니다.
• Searcher-DSIC (Conflict-Free): 충돌 없는 번들의 경우, 빌더가 승리하더라도 진실한 입찰이 지배 전략이 됩니다.
• 통합 저항성(Integration Resistance): 충돌 없는 번들에 대해, "참여하고 진실하게 입찰하는 것"은 통합을 포함한 그 어떤 전략보다 약한 우위(weakly dominates)를 점합니다. 즉, 통합은 공동 효용을 높이지 못하며 오히려 감소시킬 수 있습니다.

기본 알고리즘

계산적 실행 가능성을 보장하기 위해 저자들은 이더리움 트랜잭션에 대한 실증적 분석을 바탕으로 한 구체적인 기본 알고리즘을 제안합니다.

• 충돌 그룹화: 트랜잭션들을 스토리지 읽기/쓰기 충돌을 기준으로 그룹화합니다.
• 하이브리드 해결:
  • 작은 충고 그룹(크기 $< k_{cutoff}$)의 경우, 알고리즘은 최적의 부분 집합을 찾기 위해 전수 조사(exhaustive enumeration)를 수행합니다.
  • 큰 그룹의 경우, 구조적 최적화(예: 충돌이 순수하게 ERC-20 전송인 경우 순서는 무관함; 또는 "샌드위치" 시나리오인 경우 하나의 번들만 승리할 수 있음)를 적용합니다.
  • 단순화가 적용되지 않는 경우, 순열(permutation)이 가능한 수준으로 트랜잭션의 부분 집합을 결정론적으로 선택합니다.
• 속성: 이 알고리즘이 고려하는 후보 블록의 집합은 입찰액과 독립적이며, 이는 VCG 기반의 인센티브 호환성을 유지하기 위한 핵심 요구사항입니다.

3. 주요 기여

1. Boost+ 아키텍처: 트랜잭션 수집과 순서 결정을 명시적으로 분리하여 평등한 접근을 보장하는 새로운 블록 빌딩 시스템입니다.
2. MBoost+ 메커니즘: 빌더와 서처 모두에게 인센티브 호환성을 달성하면서(특정 조건 하에) 알고리즘 혁신에 보상하는 메커니즘입니다. 이는 완벽한 VCG 메커니즘(계산적으로 불가능함)과 실질적인 빌더 참여의 필요성 사이를 성공적으로 분리합니다.
3. 충돌 없는 통합 저항성: 충돌 없는 번들에 대해, 비통합(non-integration)과 진실한 입찰의 결합이 지배 전략임을 이론적으로 증명함으로써, 상당수의 트랜잭션 클래스에서 중앙집중화의 주요 동력을 효과적으로 무력화합니다.
4. 실증적 근거를 갖춘 기본 알고리즘: 필요한 이론적 속성을 충족하는 구체적인 기본 알고리즘 구현을 제공합니다. 평가 결과, 이 알고리즘은 실제 데이터를 사용하여 **53.2%**의 사례에서 최적의 블록을 구축함을 보여주었습니다.

4. 결과 및 평가

• 최적성: 10,000개의 이더리움 블록 데이터셋(290만 개의 공개 트랜잭션, 5,600만 개의 프라이빗 번들)을 사용하여, 기본 알고리즘은 **53.2%**의 사례에서 가장 가치가 높은 블록을 생성했습니다.
• 효율성 격차: 최적이 아닌 경우, 블록 가치의 중앙값 절대 차이는 0.0033 ETH였으며, 중앙값 상대 차이는 **8.6%**였습니다. 높은 MEV(가치 > 1 ETH)를 가진 블록의 경우 성능 격차가 커지는데, 이는 대규모 충돌 그룹을 다룰 때 전수 조사가 어렵기 때문이며, 이 경우 기본 알고리즘의 최적성 달성률은 약 5%로 떨어집니다.
• 실행 시간: 기본 알고리즘은 멀티스레딩을 효과적으로 활용합니다. 50개의 스레드를 사용할 때 실행 시간은 병렬 블록 빌딩 알고리즘의 실행 시간에 근접하며, 따라서 12초 슬롯 내에 실행 가능합니다.
• 충돌 분석: 실증 연구 결과, 대부분의 블록에서 충돌 그룹은 작았으며(종종 크기 1), 큰 충돌 그룹(크기 $\ge$ 8)은 드물게 나타났습니다(대부분의 블록에서 4개 미만의 그룹 발생). 이는 하이브리드 접근 방식의 타당성을 입증합니다.

5. 의의 및 주장

본 논문은 **Boost+**가 현재의 MEV 생태계가 가진 중앙집중화와 비효율성에 대한 원칙적인 해결책을 제공한다고 주장합니다. 서처와 빌더 간의 상호작용을 명시적으로 모델링하고 입찰액과 독립적인 후보 집합을 가진 기본 알고리즘을 강제함으로써, 시스템은 다음과 같은 효과를 얻습니다:

• 경쟁 복원: 충돌 없는 트랜잭션에 대한 통합의 구조적 이점을 제거합니다.
• 혁신 장려: 서처의 인센티브 호환성을 해치지 않으면서 더 우수한 알고리즘을 개발하는 빌더에게 보상을 제공합니다.
• 이론과 실제의 균형: 완벽한 효율성(사회적 후생 극대화)과 완벽한 인센티브 호환성을 동시에 달성하는 것이 계산적으로 난해(NP-hard)함을 인정합니다. 대신, Boost+는 빌더에게는 인센티브 호환성을, 서처에게는 (특정 핵심 시나리오에서) 인센티브 호환성을 보장하는 "충분히 좋은" 실용적인 솔루션을 제공합니다.

저자들은 "완벽한" 메커니즘(VCG 전용)은 이론적으로는 깔끔하지만 실질적으로는 비효율적이고, 빌더 중심의 시장은 통합 위험을 다시 불러온다는 점을 지적하며, **Boost+**가 그 사이의 필수적인 균형을 잡는다고 결론짓습니다. 이 시스템은 인센티브 호환성과 효율성을 고정하기 위해 기본 알고리즘을 사용하면서도, 빌더의 참여를 허용하여 후생을 높일 수 있도록 합니다. 논문은 최적성 비율을 53.2% 이상으로 높이기 위해 시빌 공격(Sybil attacks) 대응 및 대규모 충돌 그룹 처리에 대한 추가 연구가 필요함을 언급하며 마무리합니다.