Technische Samenvatting: Boost+: Equitabele, Incentives-compatibele Block Building

1. Probleemstelling

De schaarste aan blokruimte op gedecentraliseerde blockchains, met name Ethereum, vereist efficiënte allocatie via block building. Hoewel Maximal Extractable Value (MEV) competitie aanjaagt, is het huidige ecosysteem, gecentreerd rond MEV-Boost, zeer gecentraliseerd geworden door integratie. Integratie vindt plaats wanneer searchers (tussenpersonen die winstgevende transacties genereren) hun orderstromen exclusief naar een enkele builder routeren. Deze praktijk creëert een oneerlijk voordeel, verstoort de concurrentie, vermindert de efficiëntie van blokruimte door compatibele transacties uit te sluiten van niet-geïntegreerde builders, en vertroebelt MEV-stromen door opaciteit in off-chain betalingen.

De kernuitdaging is het ontwerpen van een systeem dat tegelijkertijd:

1. Prikkels voor integratie elimineert (gelijke toegang tot orderstromen garandeert).
2. Incentive-compatibiliteit garandeert (waarbij waarheidsgetrouwe rapportage een dominante strategie is voor zowel searchers als builders).
3. Economische efficiëntie handhaaft (het construeren van blokken die de maatschappelijke welvaart maximaliseren).
4. Computationeel haalbaar blijft binnen de strikte tijdslimieten van blokproductie (bijv. 12-seconden slots).

Bestaande voorstellen zoals BuilderNet slagen er niet in sterke garanties voor incentive-compatibiliteit te bieden omdat ze de interactie tussen searchers en builders niet expliciet reguleren of regels afdwingen over hoe orderstromen worden verwerkt.

2. Methodologie: Het Boost+ Framework en de MBoost+ Mechanisme

De auteurs stellen Boost+ voor, een systeem dat de verzameling van transacties ontkoppelt van de algoritme-executie, draaiend binnen een Trusted Execution Environment (TEE) om vertrouwelijkheid en integriteit te waarborgen. Het systeem modelleert expliciet drie actoren: Proposers, Builders en Searchers.

Het MBoost+ Mechanisme

De kern van Boost+ is het MBoost+ mechanisme, dat in twee fasen opereert om het uiteindelijke blok en de waardallocatie te bepalen:

1. Conflict-vrije Separatie: Het mechanisme identificeert eerst conflict-vrije bundles (transacties die geen opslagslots lezen/schrijven die door anderen worden geraakt). Deze worden gescheiden van de hoofdset en toegevoegd aan het uiteindelijke winnende blok, ongeacht de uitkomst, waardoor ze altijd worden opgenomen met een netto betaling van nul (refund is gelijk aan de bieding).
2. Twee-fasen Executie:
   • Fase 1 (Default Algoritme): Een default algoritme (ontworpen door het systeem) verwerkt de resterende bundles om een "default block" ($o^*$) te genereren en tegenfeitelijke blokken ($o_{-i}$) voor elke bundle te berekenen om refunds te bepalen. Deze fase stelt een baseline vast voor welvaart en refunds.
   • Fase 2 (Builder Algoritmen): Builders dienen hun eigen block-building algoritmen in. Het mechanisme voert deze uit op dezelfde set bundles om kandidaat-blokken te genereren.
3. Winnaarsselectie & Betaling:
   • Het mechanisme vergelijkt de bieding van het default blok ($\beta_0$) met de biedingen van builder-ingediende blokken ($\beta_j$).
   • Indien het default algoritme wint: Het mechanisme gebruikt het default blok. Searchers betalen hun biedingen, ontvangen refunds berekend via een Vickrey–Clarke–Groves (VCG) formule gebaseerd op de tegenfeitelijke scenario's van het default algoritme, en de proposer ontvangt het surplus. Builders ontvangen niets.
   • Indien een builder wint: De winnende builder betaalt zijn bieding aan het mechanisme. Het mechanisme vergoedt de searchers op basis van de tegenfeitelijke scenario's van het default algoritme (niet die van de winnaar), waardoor searchers niet worden gestraft door het specifieke algoritme van de winnaar. De winnende builder ontvangt een surplus gelijk aan hun bieding minus de tweede hoogste bieding (of de default bieding), wat effectief een tweede-prijs veiling onder builders is.

Theoretische Garanties

• Builder-DSIC: Waarheidsgetrouwe bieding is een dominante strategie voor builders, aangezien zij deelnemen aan een tweede-prijs veiling met een reserveprijs ingesteld door het default algoritme.
• Searcher-DSIC (Default-Dominant): Als het default algoritme alle builders overtreft, is waarheidsgetrouwe bieding een dominante strategie voor searchers.
• Searcher-DSIC (Conflict-Vrij): Voor conflict-vrije bundles is waarheidsgetrouwe bieding een dominante strategie in alle scenario's, zelfs als een builder wint.
• Integratie-Resistentie: Voor conflict-vrije bundles is de strategie "deelnemen en waarheidsgetrouw bieden" een zwak dominante strategie ten opzichte van elke strategie die integratie met een builder behelst. Integratie biedt geen gezamenlijk nutsgewin en kan dit zelfs verminderen.

Het Default Algoritme

Om te garanderen dat het mechanisme computationeel haalbaar is, stellen de auteurs een concreet default algoritme voor op basis van empirische analyse van Ethereum-transacties:

• Conflict Groepering: Transacties worden gegroepeerd op basis van opslag read/write conflicten.
• Hybride Resolutie:
  • Voor kleine conflict groepen (grootte $< k_{cutoff}$), voert het algoritme een uitputtende enumeratie uit om de optimale subset te vinden.
  • Voor grote groepen past het structurele optimalisaties toe (bijv. als conflicten puur ERC-20 transfers zijn, is de volgorde irrelevant; als het een "sandwich" scenario is, kan slechts één bundle winnen).
  • Als geen vereenvoudiging van toepassing is, selecteert het deterministisch een subset van transacties om permutatie haalbaar te houden.
• Eigenschappen: De set van kandidaat-blokken die door dit algoritme wordt overwogen, is onafhankelijk van de biedingen, een cruciale vereiste voor het handhaven van de VCG-gebaseerde incentive-compatibiliteit.

3. Belangrijkste Bijdragen

1. Boost+ Architectuur: Een nieuw block-building systeem dat de interactie tussen searchers en builders expliciet reguleert, waarbij de verzameling van transacties en de ordening worden gescheiden om gelijke toegang te garanderen.
2. MBoost+ Mechanisme: Een mechanisme dat incentive-compatibiliteit bereikt voor builders en searchers (onder specifieke condities) terwijl het algoritmische innovatie beloont. Het slaagt erin de "perfecte" VCG-mechanisme (die computationeel onhaalbaar is) te ontkoppelen van de praktische noodzaak voor builder-participatie.
3. Conflict-Vrije Integratie-Resistentie: Theoretisch bewijs dat voor conflict-vrije bundles, niet-integratie gecombineerd met waarheidsgetrouw bieden een dominante strategie is, wat de primaire drijfveer voor centralisatie voor een significante klasse van transacties neutraliseert.
4. Empirisch-Geïnformeerd Default Algoritme: Een concrete implementatie van een default algoritme dat de noodzakelijke theoretische eigenschappen bezit. Evaluatie toont aan dat het in 53,2% van de gevallen het optimale blok construeert.

4. Resultaten en Evaluatie

• Optimaliteit: Met een dataset van 10.000 Ethereum-blokken (2,9M publieke transacties, 56M private bundles) produceerde het default algoritme het hoogste waarde-blok in 53,2% van de gevallen.
• Efficiëntie-Gap: In niet-optimale gevallen was het mediaan absoluut verschil in blokwaarde 0,0033 ETH, met een mediaan relatief verschil van 8,6%. De prestatiekloof wordt groter voor blokken met hoge MEV (waarde > 1 ETH), waarbij het default algoritme optimaliteit bereikt in slechts ~5% van de gevallen, voornamelijk door de moeilijkheid van het afhandelen van grote conflict groepen zonder uitputtende zoekopdrachten.
• Runtime: Het default algoritme maakt effectief gebruik van multi-threading. Met 50 threads nadert de runtime die van parallelle block-building algoritmen, wat het levensvatbaar maakt voor 12-seconden slots.
• Conflict Analyse: Empirische studie toonde aan dat in de meeste blokken conflict groepen klein zijn (vaak grootte 1), en dat grote conflict groepen (grootte $\ge 8$) zeldzaam zijn (komen in de meerderheid van de gevallen op < 4 groepen per blok voor), wat de haalbaarheid van de hybride aanpak valideert.

5. Betekenis en Claims

Het artikel claimt dat Boost+ een principieel oplossing biedt voor de centralisatie en inefficiëntie van het huidige MEV-ecosysteem. Door de interactie tussen searchers en builders expliciet te modelleren en een default algoritme met bieding-onafhankelijke kandidaat-sets af te dwingen, biedt het systeem:

• Herstel van Competitie: Verwijdert het structurele voordeel van integratie voor conflict-vrije transacties.
• Stimulering van Innovatie: Beloont builders die superieure algoritmen ontwikkelen zonder de incentive-compatibiliteit van de searchers in gevaar te brengen.
• Balans tussen Theorie en Praktijk: Erkent dat het bereiken van perfecte efficiëntie (maximaliseren van maatschappelijke welvaart) naast perfecte incentive-compatibiliteit computationeel onuitvoerbaar is (NP-hard). In plaats daarvan biedt Boost+ een "goed genoeg" praktische oplossing die bewijsbaar incentive-compatibel is voor builders en voor searchers in de meest kritieke scenario's (conflict-vrij en default-dominant).

De auteurs concluderen dat hoewel een "perfect" mechanisme (alleen VCG) theoretisch zuiver is maar praktisch inefficiënt, en een alleen-builder markt de risico's van integratie opnieuw introduceert, Boost+ een noodzakelijke balans vindt. Het gebruikt een default algoritme om incentive-compatibiliteit en efficiëntie te verankeren, terwijl het builder-participatie toestaat om de welvaart te verhogen, mits het systeem de resulterende complexiteit kan aan. Het artikel merkt op dat verder werk nodig is om Sybil-aanvallen aan te pakken en de afhandeling van grote conflict groepen te verbeteren om de optimaliteitsratio boven de 53,2% te verhogen.