기술 요약: Slow and Steady – 검증 가능한 지연을 통한 MEV 방지

문제 정의

본 논문은 분산 원장에서의 최대 추출 가능 가치(Maximal Extractable Value, MEV) 위협을 다룬다. MEV란 블록 생성자(채굴자 또는 검증자)가 블록 내에 트랜잭션을 주입, 재정렬 또는 재구성함으로써 이득을 취하는 능력을 의미한다. 일반적인 MEV 전략에는 사용자의 트랜잭션을 이용해 사용자나 애플리케이션 개발자의 비용으로 이익을 창출하는 프런트 러닝(front-running), 백 러닝(back-running), 그리고 "샌드위치(sandwich)" 공격이 포함된다.

저자들은 두 가지 주요한 MEV의 부정적 영향을 식별하였다:

1. 자산 유출: 가치가 사용자로부터 블록 생성자에게로 흘러 들어가 시스템의 사용성을 저하시킨다.
2. 보안 리스크: MEV는 원장 프로토콜에 의해 제어되지 않는 오프체인 인센티브를 생성한다. 만약 이러한 인센티브가 충분히 높다면, 이익을 추구하는 당사자들이 MEV를 포착하기 위해 프로토콜에서 벗어날 수 있으며, 이는 잠재적으로 합의의 보안과 활성도(liveness)를 위협할 수 있다.

MEV 경매(예: Proposer-Builder Separation)와 같은 기존의 대응책들은 신뢰할 수 있는 중개인에 의존한다. 시간 기반의 순서 지정 솔루션은 복잡한 메커니즘 없이 공정성을 보장하는 데 어려움을 겪는 경우가 많으며, 내용 불가지론적 접근 방식(commit-reveal scheme)은 상태 계산을 지연시키고 트랜잭션 내용을 은폐하여, 블록 생성자가 기대 보상을 합리적으로 계산하는 것을 방해한다.

방법론

본 논문은 트랜잭션 생성에 **검증 가능한 지연(Verifiable Delay)**을 강제하는 방어 메커니즘을 제안한다. 핵심 직관은 블록 생성자가 새로 관찰된 트랜잭션에 반응하는 능력을 늦추는 것이다. 지연 시간이 충분히 길다면, 정직한 트랜잭션이 악의적인 행위자가 그에 의존하는 유효한 프런트 러닝 트랜잭션을 구성하기 전에 최종 확정(finalized)될 것이다.

메커니즘

저자들은 세 가지 구성 요소를 사용하여 분산 원장의 트랜잭션 유효성 술어를 변환할 것을 제안한다:

1. 검증 가능한 지연 함수 (Verifiable Delay Function, VDF): 병렬 처리에 의해 크게 가속화될 수 없는 특정 수의 순차적 단계($\tau$)를 요구하는 암호학적 프리미티브.
2. 약속 체계 (Commitment Scheme): 트랜잭션 페이로드에 대한 암호학적 약속(commitment).
3. 유효성 변환 (Validity Transformation): 새로운 유효성 술어 $\text{Validate}_{VDF, CS}$가 정의되며, 트랜잭션 $tx = \langle m, (y, \pi) \rangle$는 다음을 만족해야만 유효하다:
   • 기본 페이로드 $m$이 원래 원장의 유효성 규칙을 만족해야 한다.
   • VDF 출력 $y$와 증명 $\pi$가 올바르게 검증되어야 한다.
   • 공개된 페이로드가 VDF 평가에 사용된 약속(commitment)과 일치해야 한다.

결정적으로, VDF는 트랜잭션 페이로드 자체가 아니라 **페이로드의 약속(commitment)**에 대해 평가된다. 이를 통해 사용자는 트랜잭션 내용을 드러내지 않고도 제3자에게 계산을 외주 줄 수 있으며, 서비스 제공자가 병렬 MEV 공격을 수행하는 것을 방지할 수 있다.

이론적 모델

분석은 두 가지 모델 하에서 수행된다:

1. 비잔틴 모델 (Byzantine Model): 일부 당사자를 제어하는 적응형(adaptive) 및 러싱(rushing) 공격자를 가정한다. 목표는 **블록체인 입력 인과성(Blockchain Input Causality)**을 증명하는 것이다: 즉, 공격자가 정직한 트랜잭션에 유의미하게 의존하는 유효한 트랜잭션을 해당 트랜스액션이 최종 확정되기 전에 생성할 수 없음을 증명한다.
2. 게임 이론적 모델 (Game Theoretic Model): 효용(블록 보상, 수수료 및 MEV)을 극대화하는 합리적인 당사자를 가정한다. 분석에는 $\epsilon$-내쉬 균형(Nash equilibrium)과 준수성(compliance)(당사자들이 특정 위반 행위를 수행하기 위해 프로토콜에서 벗어나지 않음)을 활용한다.

주요 기여 및 결과

1. 블록체인 입력 인과성 (정리 1)

논문은 VDF 지연 파라미터 $\tau$가 원장의 활성도 파라미터 $u$(정직한 트랜잭션이 최종 확정되는 데 걸리는 시간)보다 크면, 변환된 프로토콜이 입력 인과성을 보장함을 증명한다.

• 논리: 라운드 $r$에서 브로드캐스트된 정직한 트랜잭션은 라운드 $r+u$까지 최종 확정된다. 이 트랜잭션을 프런트 러닝하려는 공격자는 먼저 이를 관찰하고, VDF를 계산해야 하며(이는 $\tau$ 라운드가 소요됨), 그 후 게시해야 한다. $\tau > u$이므로, 공격자의 트랜잭션은 정직한 트랜잭션이 이미 최종 확정되기 전에는 유효할 수 없다.
• 결과: 이 변환은 원래 프로토콜의 안전성(safety)과 활성도(liveness) 보장을 유지하면서 프런트 러닝 능력을 제거한다.

2. 균형 보존 (정리 2)

저자들은 MEV가 없는 상황($E_{-MEV}$)에서 원래 프로토콜 $\Pi$가 $\epsilon$-내쉬 균형이라면, MEV 기회가 존재하는 상황($E_{+MEV}$)에서도 변환된 프로토olo $\tilde{\Pi}$가 $\epsilon'$-내쉬 균형으로 남음을 입증한다.

• 의의: 이는 프로토콜 설계자가 하위 시스템의 균형 특성을 깨뜨리지 않고도 MEV에 대응하여 합리적인 원장을 보호할 수 있는 건설적인 방법을 제공한다.

3. 검열에 대한 준수성 (정리 4)

논문은 MEV가 없는 세상에서 원래 프로토콜이 검열에 대해 준수적(당사자들이 효용을 얻기 위해 트랜잭션을 검열하지 않음)이라면, 변환된 프로토콜은 MEV가 있는 세상에서도 블록체인 입력 인과성에 대해 준수적임을 보여준다.

• 논리: MEV를 취하기 위해서는 당사자가 $\tau$ 라운드 동안 트랜잭션을 검열해야 한다. $\tau > u$이므로, 이 기간 동안 검열하는 것은 활성도 보장을 위반하게 된다. 공격자는 활성도를 일방적으로 깨뜨릴 수 없으므로, MEV를 취하기 위해 충분히 길게 검열할 수 없으며, 따라서 이러한 이탈은 수익성이 없다.

4. 부정적 결과 (정리 3)

논문은 또한 모든 당사자가 MEV를 취하기 위해 $\tau$ 라운드 동안 트랜잭션을 검열하기 위해 공모하는 **"부정적 균형(negative equilibrium)"**을 식별한다. 이 특정 시나리오에서는, 특정 당사자가 트랜잭션을 게시하기 위해 이탈할 유인이 없다. 왜냐មាន 네트워크의 나머지 구성원들에 의해 검열될 것이기 때문이다. 이는 본 메커니즘이 개별적인 프런트 러닝은 방지하지만, 네트워크 합의가 MEV를 착취하는 방향으로 이동할 경우 발생하는 집단적 검열 공격은 방지할 수 없다는 한계를 보여준다.

구현 및 실무 분석

VDF 후보군

저자들은 두 가지 주요 VDF 후보를 평가한다:

• Wesolowski의 VDF: 제안된 사용 사례에 대해 높은 효율성을 보인다. 계산 시간이 15분에서 60분에 달하더라도 검증 시간은 낮게 유지된다(~700ms). 증명 크기도 관리 가능한 수준이다(<516 bytes).
• Pietrzak의 VDF: 검증 시간이 계산 시간에 대해 로그 단위로 비례하므로, 빠른 검증이 필요한 본 애플리케이션에는 덜 적합하다.

역사적 MEV 데이터

Layer-2 프로토콜(Polygon, Arbitrum, Optimism) 및 Flashbots 데이터셋의 역사적 데이터 분석 결과는 다음과 같다:

• 최대 MEV 수익은 수백만 달러에 달할 수 있지만, 압도적인 대다수의 기회는 매우 작다(종종 $100 미만이며, 빈번하게$1 미만임).
• 이러한 기회를 취하려면 종종 복잡한 다단계 트랜잭션(예: 차익 거래를 위한 4~6회의 전송)이 필요하다.
• 결론: 15~30분의 지연(현재 VDF로 가능)을 도입하는 것은 기존 MEV 위협, 특히 예측 불가능한(non-predictable) 위협의 대다수를 효과적으로 무력화할 것이다. 왜냐하면 지연에 따른 비용과 복잡성이 대부분의 작은 수익보다 크기 때문이다.

사용성 고려사항

논문은 지연을 도입하는 것이 사용성에 영향을 미친다는 점을 인정한다.

• 적합한 애플리케이션: 즉각적인 시장 반응을 필요로 하지 않는 시나리오, 예를 들어 NFT 민팅이나 등록 등.
• 부적합한 애플리케이션: 본 메커니즘은 오로지 백 러닝에만 의존하는 MEV 공격을 방어하는 데는 적합하지 않다. 또한, 사용자가 시장 상황에 빠르게 대응해야 하는 탈중앙화 거래소(DEX) 및 가격 변동에 민감한 애플리케이션에는 적합하지 않을 수 있다.
• 배포 유연성: 이 메커니즘은 원장 프로토콜 레벨이 아닌 스마트 컨트랙트 레벨에서 구현될 수 있어, 특정 DeFi 애플리케이션에 선택적으로 적용할 수 있다.

의의 및 주장

본 논문은 신뢰할 수 있는 제3자나 복잡한 순서 지정 프로토콜 없이, 원장의 보안과 암호학적 프리미티브에만 의존하는 MEV에 대한 신뢰가 필요 없는(trustless) 방어 메커니로를 제공한다고 주장한다.

• 이론적 기여: VDF 지연과 입력 인과성 위반 방지 사이의 공식적인 연결 고리를 구축하였으며, 표준 보안 속성(안전성, 활성도, 균형)이 MEV가 존재하는 상황에서도 보존되거나 향상될 수 있음을 증명하였다.
• 실무적 기여: 역사적 데이터를 분석함으로써, 저자들은 "Slow and Steady" 접근 방식이 저가치/고빈도 공격을 효과적으로 필터링할 수 있으므로, 본 메커니즘이 현실적으로 구현 가능하며 대부분의 예측 불가능한 MEV 위협을 방지하기에 충분하다고 주장한다.
• 한계점: 저자들은 본 메커니즘이 VDF의 실질적인 보안 추정치에 의존한다는 점(효율적인 평가를 위한 엄격한 이론적 하한선은 여전히 부족함)과, 모든 DeFi 애플리케이션(특히 고빈도 매매나 백 러닝에 취약한 경우)을 위한 만능 해결책은 아니라는 점을 겸허히 언급한다.

요약하자면, 본 연구는 검증 가능한 지연을 통해 트랜잭션 최종 확정을 의도적으로 늦춤으로써, 분산 원장이 즉각성을 일부 희생하는 대신 강화된 보안과 공정성을 확보할 수 있다고 제안한다.