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解析以太坊搶先交易原理及其解決方案_FRONT:RKING幣

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作為一般用戶,可以通過設置較低的交易滑點和較高的Gas費來應對搶先交易。

本文旨在全面解析廣泛存在于以太坊區塊鏈上的攻擊行為:Front-Running,通過對其原理的研究,尋找最有效的解決方案,最終幫助DeGate用戶避免這一嚴重有損他們利益的攻擊行為。

Front-Running和Mempool

簡單來說,Front-Running是指在一筆正常交易等待打包的過程中,搶跑機器人通過設置更高Gas費用搶先完成攻擊交易,以此攫取用戶利益的攻擊行為。而Mempool是一組已經廣播到網絡中并等待被打包進區塊的以太坊交易,它是Front-Running可以實施的前提,搶跑機器人通過不斷掃描Mempool中的交易,來分析發現可攻擊的目標。下圖是一個Mempool瀏覽器,可以通過設置各種篩選項訂閱Mempool中的交易,并查看這些交易的全部詳細信息。

在所有Front-Running中,最典型最具危害性的就是針對AMM交易的SandwichAttacks,除此以外還有針對套利、清算交易、閃電貸等利用系統漏洞獲利的搶跑攻擊,攻擊者數量眾多,且由自動化腳本控制,永遠不知疲倦,因此任何有利可圖的交易都會遭受他們的飽和攻擊,幾乎沒有幸免的可能。

1inch Network:已向解析器激勵計劃發放超150萬枚INCH:2月12日消息,DEX聚合器1inch Network在社交媒體發布項目數據更新,截止目前已向解析器激勵計劃發放1,507,992 INCH代幣,按照當前價格計算超過80萬美元。1inch Network于1月底啟動解析器激勵計劃代幣發放,總計為1000萬枚INCH。

此外,1inch Network還公布了當前主流鏈上數據,按交易額排名:以太坊(2406億美元)、BNB(326億美元)、Polygon(181億美元)、Avalanche(33億美元)、Arbitrum(32億美元)、Optimism(16億美元)、Fantom(7.291億美元)、Gnosis(1.92億美元)。[2023/2/12 12:02:19]

接下來,我們重點對三明治攻擊進行分析。

SandwichAttacks

真實攻擊案例

首先我們來看一個真實的三明治攻擊案例。

上圖可見,三筆交易在同一個區塊被打包,兩筆攻擊交易中間夾著一筆正常交易。其具體流程如下:

用戶首先發起一筆正常交易,用237000.705USDC買入DG,設置GasPrice為40.5Gwei;

WalletConnect 發布錢包開源解決方案 Web3Modal v2.0 版本,新增 ENS 域名解析等功能:9月17日消息,Web3 基礎設施 WalletConnect 發布錢包開源解決方案Web3Modal v2.0版本,新功能包括可自定義的UI、支持上百個錢包、最終用戶登陸、可定制的條款和條件、ENS域名解析,未來幾周內也計劃添加和增強更多功能,包括支持React和Vanilla等多種框架、為賬戶地址和實時余額等功能預建組件、支持非EVM鏈等。[2022/9/17 7:02:59]

搶跑機器人檢測到這筆有利可圖的交易后,隨即展開攻擊,發起一筆買入交易,設定GasPrice為49.9Gwei,憑借Gas競爭機制成功搶跑用戶的正常交易;

與此同時,機器人發出另一筆賣出交易,設置GasPrice同樣為40.5Gwei,因為時間順序的原因,緊貼著用戶正常交易完成。

一次完美的搶跑攻擊完成,算上手續費,機器人共賺取16448.012-16310.3-15.2-10.61=$111.9,而這種兩筆攻擊交易夾著一筆正常交易的攻擊,就被形象的稱為三明治攻擊。

原理說明

為了更好的說明攻擊原理,我們補充一些相關背景知識。

動態 | 以太坊域名服務ENS將加入多代幣支持,未來可解析至比特幣地址:go-ethereum和以太坊域名服務(ENS)核心開發者Nick Johnson今天在Twitter 宣布,已經提交了ENS以太坊域名的多代幣支持,該提議通過后ENS以太坊域名將支持解析域名到多個區塊鏈地址,其中甚至可以包括比特幣地址。這也意味著,ENS以太坊域名將可能成為跨鏈的域名系統,用戶可以通過一個域名在多個區塊鏈間互通,未來只需要向其他人展示自己的ENS以太坊域名即可。目前已經有多個數字加密貨幣錢包支持ENS以太坊域名,在使用以太坊錢包進行轉賬時,不需要再輸入冗長的以太坊0x 地址,而只需要輸入短地址即可。[2019/9/9]

我們知道,現如今的主流DEX如Uniswap等,采用的都是AMM機制,其價格遵循恒定乘積公式。例如,在Uniswap中建立一個A代幣與ETH的流動池,A數量為1000,ETH數量為100,則兩者數量乘積為100000,當前A價格為0.1ETH。當Alice試圖用10個ETH來池子里購買A時,他所得到的A的數量X,可以用下面的公式推導(注:為簡化計算,以下均未考慮手續費):

*=100000,X=90.9

這筆交易中,A的價格為10/90.9=0.11,相比于原來A的價格,價格滑點為:

分析 | 杯柄形態ENJ最高漲幅83% 盤面解析:金色分析師:今日山寨幣ENJ最高漲幅83%,消息面上,ENJ確定成為三星Galaxy S10手機的合作伙伴。從盤面上看,小時圖幣價在未啟動前一直處于上升趨勢中,前期已經漲了一波,縮量調整回落,然后放量上攻,到達前期高處時候,又再次縮量調整,然后在放量上攻突破前期高點,然后幣價進入直線拉升趨勢,營造杯狀帶柄形態。[2019/3/8]

/0.1*100%=10%

一筆交易就讓幣價產生了10%的滑點,可見越是流動性差的池子,遇到大額交易,越是容易產生滑點。而如果,能在用戶正常的大額交易前,搶先買入A,再在用戶正常交易后,將剛買入的A賣出,就可以獲得一筆不菲的收益。沿用剛才的例子,假設在Alice的交易前,Bob搶先花5個ETH購買A,然后在Alice的交易完成后,Bob再把之前買入的A賣出,我們看看會有什么樣的結果。

首先是Bob的搶跑交易:

(1000-X)*(1005)=100000,X=47.62

即,Bob用5ETH購得47.62個A

接下來是Alice的正常交易,注意此時流動池中A的數量變為952.38,ETH的數量變為105:

動態 | 日本Catabira推出基于區塊鏈的數據解析平臺:據Prtimes消息,日本信息服務商Catabira宣布推出基于區塊鏈的商業服務級數據解析平臺Catabira Insights For Blockchain,將利用區塊鏈技術不可篡改的特性保證調查數據的真實性。[2018/11/8]

(952.38-X)*(10510)=100000,X=82.81

最后Bob賣出47.62個A的交易,此時流動性中A的數量為869.57,ETH的數量為115:

*=100000,Y=5.97

通過這一次搶跑攻擊,Bob凈賺5.97-5=0.97個ETH,而Alice凈虧90.9-82.81=8.09個A,Bob通過使Alice蒙受更大的滑點損失來獲得自己的收益!

當然,實際的搶跑攻擊會更復雜,攻擊者需要進行更精密的計算,以求實現以下兩個目標:

讓用戶的交易結果無限逼近用戶自己設置的最大滑點,以求達到理論上的最大套利空間

在手續費競爭力和收益之間取得平衡,盡可能的在與其他機器人的競爭中獲勝

我們用圖表來更好的描述這一過程:

用戶在A點,打算投入in_amount(user)個USDT購買ETH,這筆交易正常會把當前狀態推向B,同時用戶設置了最大滑點為B(max_slippage);

搶跑機器人監測到這筆交易,先于用戶交易之前,進行了一筆in_amount(robot)個USDT的買入交易,將當前狀態推到A';

用戶的交易隨后執行,達到其設置的最大滑點B(max_slippage);

搶跑機器人把步驟2中買入的ETH賣出,狀態達到C點,得到out_amount(robot)個USDT

搶跑機器人獲得收益out_amount(robot)-in_amount(robot)-手續費

解決方案

既然我們已經看到了Front-Running的殺傷力,那我們有什么辦法阻止搶跑攻擊呢?

作為一般用戶,應對Front-Running可以有以下幾種手段:

設置較低的交易滑點,比如0.1%,這會讓搶跑機器人缺少可盈利的空間。?缺點:滑點過低導致大額交易十分容易失敗,且失敗的交易仍然需要支付高昂手續費。

提高gas費用,這會增加機器人的攻擊成本。缺點:這同樣也增加了自己的交易成本。

可以看出,以上解決方案都是無奈之舉,且有各種不足,幸運的是,有很多團隊認識到了Front-Running的危害性,并提出了不少有建設性的解決方案。首先通過對捕獵全過程的分析,我們可以得出結論,要實現Front-Running,需要幾個要素:

Transaction公開性:可以在Mempool中獲取交易的詳細信息

以太坊交易執行機制:可以通過gas競爭的方式搶先完成交易

AMM交易曲線機制:恒定乘積機制可以造成較大滑點

那么反制手段就是分別在這幾個要素上做文章。

Transaction公開性

既然機器人是通過分析Mempool中的交易來決定是否發起攻擊,那么我們將交易信息直接加密,讓機器人看不到或者看不懂不就好了?

社區中就有人提議使用零知識證明技術zk-SNARKs來達成上述目標,即運用zk-SNARKs將每筆交易的信息都加密隱藏起來,讓機器人無從下手。

不過,目前該方案還不夠成熟,存在需要消耗更高Gas費用和可能被利用來進行阻塞攻擊,導致系統化整體liveness的缺陷。

以太坊交易執行機制

當前的以太坊交易執行機制是通過Gas競爭來完成的,即誰出的Gas費高,礦工就優先打包誰的交易,那么我們如果繞過這種機制,把交易發給礦工讓其直接打包,就杜絕了搶跑機器人在中途攻擊的可能性

所以一種類似于Layer0的方案也得到了一些應用,如星火礦池的Taichi服務,用戶可以直接在MetaMask中設置Taichi的以太坊節點,這樣交易就直接在沒有出現在Mempool的情況下被打包了,但劣勢是被打包的時效有一定的不確定性。

另外,如ArcherSwap類似理念的解決方案,構建了交易者和礦工之間的橋梁,交易者可以通過打賞的形式讓礦工直接打包自己的交易,這就避免了被Front-Running的可能。雖然有那么點交保護費來避免被攻擊的感覺,但也實實在在的降低了交易者的成本,而且有著不收取交易失敗費用的優勢。

AMM算法優化

在AMM機制下,大額交易產生過大的價格滑點,是Front-Running的利潤空間,如果有一種AMM機制可以減少大額交易對后續交易價格的影響,就可以有效防止Front-Running攻擊。早在2018年,Vitalik在以太坊技術社區中提供了一個方案,當發生兌換交易時,交易池價格不會立刻調整成真實價格,而是在若干分鐘內,緩慢的趨向真實價格,這就好像交易池憑空多出了很多流動性一樣,因此我們將這種技術稱之為VitrualBalance技術。這種新機制,可大大壓縮套利者的利潤空間,有效防御Front-Running攻擊,同時還可以增加流動性做市商的收益,可謂一舉多得,1inch的mooniswap就是這個方案的一個實現版本。

增加流動性

此外,還有種思路,就是盡可能的加大交易池中特定價格區間的流動性,流動性越大,滑點越小,當流動性大到一定程度的時候,搶跑機器人就喪失了盈利空間,Uniswap的V3版本的聚焦流動性特性,就是在這方面做出的努力。

展望未來

我們有理由相信,在各個團隊堅持不懈的努力之下,隨著各種解決方案的持續演進,以及新一代AMM、以太坊二層等技術的相繼落地,很快我們就可以為用戶提供一個更公平更安全的鏈上交易環境。

撰文:DeGate

Tags:以太坊ONTINGFRONT以太坊價格幣走勢圖RKING幣Frontrow

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