논문 요약: MEV-ACE (식별자 인증 기반 공정한 정렬 프로토콜)

1. 문제 정의 (Problem)

블록체인에서 최대 추출 가능 가치 (MEV, Maximal Extractable Value) 는 블록 생성자 (Producer/Proposer) 가 대기 중인 트랜잭션을 관찰하고, 이를 임의로 정렬하거나 포함/제외함으로써 얻는 이득을 의미합니다. 이는 일반 사용자에게 역진세 (regressive tax) 를 부과하고, 정교한 검색자 (Searcher) 와 협력하는 검증자들에게 이익을 집중시킵니다.

기존의 주요 공격 유형은 다음과 같습니다:

• 프론트러닝 (Front-running): 목표 트랜잭션 앞에 자신의 트랜잭션을 삽입하여 가격 변동을 선점.
• 샌드위치 공격 (Sandwich attacks): 목표 트랜잭션을 매수 - 매도 쌍으로 끼워 슬리피지를 추출.
• 검열 (Censorship): 특정 사용자의 트랜잭션을 선택적으로 배제.

기존 접근법의 한계:
기존의 커밋 - 리베일 (Commit-Reveal), 임계값 암호화 (Threshold Encryption), 공정한 정렬 서비스, 제안자 - 빌더 분리 (PBS) 등은 다음과 같은 구조적 결함을 가집니다:

1. 인증되지 않은 커밋: 제안자가 저비용으로 수많은 커밋을 생성하여 (Commitment Stuffing) 정렬 풀을 희석하거나, 자신의 거래만 유리한 위치에 배치할 수 있음.
2. 검열 가능한 비공개 (Selective Non-opening): 제안자가 유익한 트랜잭션만 공개하고 나머지는 숨길 수 있음.
3. 검증 불가능한 누락: 다른 검증자들이 제안자가 의무적으로 포함해야 할 트랜잭션을 누락했음을 증명할 수 있는 이식 가능한 증거 (Transferable Evidence) 가 부재함.

2. 방법론 (Methodology: MEV-ACE)

MEV-ACE 는 제안자가 통제하는 정렬 MEV 를 완화하기 위해 등록된 경제적 신원 (Registered Economic Identities), 인증된 커밋/오픈 메시지, 검증 가능한 지연 무작위성 (Verifiable-Delay Randomness) 의 세 가지 메커니즘을 결합한 단일 슬롯 프로토콜입니다.

핵심 구성 요소:

1. ACE-GF 기반 인증 신원:

   • 사용자는 ACE-GF(Atomic Cryptographic Entity Generative Framework) 를 통해 MEV 전용 인증 키를 결정적으로 도출합니다.
   • 온체인에 (idcom, vkauth, Dstake) 형태의 등록 신원을 생성하며, Dstake 는 위반 시 몰수 (Slashing) 될 수 있는 보증금 (Bond) 입니다.
   • 이는 Sybil 공격 (다수 가짜 계정 생성) 을 방지하고, 커밋 생성 비용을 경제적 비용으로 전환합니다.

2. 인증된 커밋/오픈 및 임계값 영수증 (Threshold Receipts):

   • 커밋 단계: 사용자는 트랜잭션 해시를 서명하여 제출하고, 검증자들로부터 qc 개 이상의 유효한 영수증 (Receipt) 을 받아야만 '허용 가능한 (Admissible)' 커밋이 됩니다.
   • 오픈 단계: 트랜잭션 내용을 공개할 때도 qo 개 이상의 영수증이 필요합니다.
   • 의무 포함: 임계값을 통과한 커밋/오픈은 제안자가 반드시 포함해야 하며, 이를 위반할 경우 영수증 증거로 모든 검증자가 블록의 무효를 주장할 수 있습니다.

3. 지연 무작위성 (VDF 기반):

   • 허용 가능한 커밋 세트가 확정된 후에, 검증 가능한 지연 함수 (VDF) 를 통해 실행 순서 (Permutation) 를 결정합니다.
   • 이는 제안자가 트랜잭션 내용을 알고 난 후 순서를 조작하거나, 자신의 거래만 공개하는 것을 방지합니다.

프로토콜 흐름:

1. 등록 (Registration): 온체인에 신원 및 보증금 등록.
2. 커밋 (Commit): 사용자 트랜잭션 해시화 및 서명, 검증자로부터 영수증 수집 (허용 세트 확정).
3. 정렬 (Order): VDF 를 실행하여 허용된 트랜잭션 세트에 대한 무작위 실행 순서 생성.
4. 오픈 (Open): 트랜잭션 내용 공개, 검증, 순서대로 실행. 미공개 시 보증금 몰수.

3. 주요 기여 (Key Contributions)

1. 공식 모델 정립: 임계값 영수증을 기반으로 한 '허용 가능한 정렬'의 수학적 모델을 정의하고, 정렬 예측 불가능성, 커밋 진위성, 책임 있는 포함 (Accountable Inclusion) 의 세 가지 보안 속성을 공식화했습니다.
2. MEV-ACE 프로토콜 설계: 단일 슬롯 내에서 작동하며, 임계값 복호화 위원회 (Threshold Decryption Committee) 가 필요 없고, 양자 내성 서명 (ML-DSA-44) 과 호환되는 프로토콜을 제안했습니다.
3. 보안 분석 및 경제적 인센티브:
   • 암호학적 가정 (EUF-CMA, VDF 순차성 등) 하에서 보안 속성이 증명됨.
   • 경제적 조건: 제안자의 보증금과 사용자 보증금이 1 슬롯 동안의 불법 이득 (순서 조작, 선택적 비공개 등) 을 초과하도록 설정되면, 제안자에게 정직한 실행이 최적 전략이 됨을 보임.
4. 구현 가이드라인: VDF 보안 파라미터와 실제 실행 시간 (Wall-clock time) 을 분리하여 명확한 지연 예산 (Latency Budget) 분석을 제공했습니다.

4. 결과 및 성과 (Results)

• 일방적 재량권 제거: 허용된 트랜잭션에 대해 제안자가 프론트러닝, 샌드위치 공격, 검열을 일방적으로 수행할 수 없게 됩니다.
• 검증 가능한 누락 방지: 제안자가 의무 트랜잭션을 누락할 경우, 검증 가능한 영수증 증거를 통해 모든 검증자가 이를 식별하고 블록을 거부할 수 있습니다.
• Sybil 공격 저항성: 커밋 스태핑 (Commitment Stuffing) 공격은 추가적인 경제적 보증금 (Bond) 을 요구하게 되어 비합리적이 됩니다.
• 단일 슬롯 실행: 기존 멀티 블록 커밋 - 리베일 방식과 달리, 적절한 슬롯 크기 설정 시 단일 슬롯 내 모든 단계를 완료할 수 있습니다.

5. 의의 및 의의 (Significance)

• 구조적 해결책 제시: MEV 를 단순히 재분배 (PBS 등) 하거나 외부 신뢰 (Oracle 등) 에 의존하는 것이 아니라, 프로토콜 레이어에서 인증된 신원과 경제적 페널티를 통해 MEV 의 근원적 원인 (정보 비대칭과 정렬 재량권) 을 해결합니다.
• 검증 가능한 공정성: "누가 무엇을 포함했는지"에 대한 증거가 검증 가능하므로, 중앙화된 감시나 외부 오라클 없이도 공정한 정렬을 보장합니다.
• 실용적 확장성: 양자 내성 서명을 지원하며, 임계값 복호화 위원회 없이도 구현 가능하여 기존 블록체인 인프라에 통합하기 용이합니다.
• 한계점 명시: 정보 기반 MEV (공공 상태 변화에 따른 백러닝 등) 는 해결하지 않으며, VDF 하드웨어 비대칭성 및 오미션 증거의 적시 전달 등 배포 시 고려해야 할 실용적 문제를 명확히 지적했습니다.

결론적으로, MEV-ACE 는 블록 생성자의 일방적 통제력을 경제적 비용과 암호학적 증명, 그리고 검증 가능한 영수증 시스템을 통해 제한함으로써, 블록체인 생태계의 공정성과 신뢰성을 획기적으로 강화하는 새로운 패러다임을 제시합니다.