イーサリアムMEVダークフォレストの開発史：ガス戦争からPBSまで

この記事は Domothy と私が共同執筆したものです。 PBS は依然として研究が活発に行われている分野ですが、この包括的な記事では、これまでの研究の進捗状況と今後の研究の方向性をまとめることを目的としています。

既存のアーキテクチャでは、ブロック提案者（旧マイナー）がストレージ プール（メモリプール）からトランザクションを選択してブロックを構築します。 Ethereum では、これらはコンセンサス クライアントと実行クライアントの両方を実行するバリデーターで構成されます。理論上、ブロックビルダーは最も高い手数料を支払うトランザクションを選択しますが、これは厳密な要件ではありません。ブロック ビルダーはトランザクションの順序と包含を完全に制御できるため、複雑な MEV 戦略を実行できます。 MEV は活動のある場所ではどこでも非常に一般的であり、その結果、イーサリアムはこれまでに 6 億 7,500 万ドル以上が抽出された最も収益性の高い MEV の戦場となっています。

データソース: トークンターミナル

1. MEVクイックスタート

技術的には、Ethereum トランザクションは単なる一連のバイトです。したがって、作成と送信にかかるコストはごくわずかです。良い例はオンチェーン・アービトラージです。同じ資産が取引所間で異なる価格で販売されると、価値を引き出す機会が生まれます。この取引から得られるお金は、ガス料金を差し引いたもので、基本的にはブロックチェーン上の経済活動から得られる利益です。

しかし、問題があります。ブロックチェーンの透明性により、ノードを持つ人なら誰でも同じトランザクションを識別して送信できるのです。何人の人がトランザクションを送信したとしても、送信したトランザクションが確認された人だけが勝者となります。ご想像のとおり、これは、どのトランザクションを次のブロックにどのような順序で入れるかを決定する人々にとって大きなメリットとなり、彼らはそれらのトランザクションを簡単に利用できるようになります。

この例は、「MEV 機会」と呼ばれるものを示しています。確認待ちの保留中のトランザクションのリストと、Ethereum の現在のグローバル状態を考慮すると、ブロック ビルダーがエコシステムから最大の価値を引き出せるようにするトランザクションの特定の順序付けが存在します。ほとんどの場合、MEV の機会はより複雑で、正しい順序で複数のトランザクションが必要になりますが、原則は同じです。つまり、ブロック ビルダーには大きな利点があります。

2. MEV開発の道筋

数年前、イーサリアムがまだプルーフ・オブ・ワーク（PoW）によって保護されていた頃、MEV の概念はほとんど理論的なものでした。代わりに、トランザクションは単純に「これが私がやりたいことであり、これを次のブロックに含めるためにマイナーに支払う意思のある金額はこれです」というものです。

マイナーは保留中のトランザクションのリストを調べ、手数料が最も高い順に並べ替え、できるだけ多くのトランザクションを 1 つのブロックに収めるだけです。取引自体の複雑さは関係ありません。これは公平性の概念を満たしています。つまり、すべてのマイナーが同じコードを実行し、同じルールに従い、同じ金額（ハッシュレートに比例）を稼ぎます。

しかし、簡単に言えば、これは長続きしない。金銭的インセンティブが競争を生み、最も多くのインクルージョンを提供する MEV トランザクションが勝利します。これは、マイナーも最も収益性の高いトランザクションを選択するよう金銭的にインセンティブを与えられるためです。このような場合、最も利益を得るのはマイナーであり、マイナーはゲームをプレイする必要すらありません。十分な競争があれば、利益は常にマイナー（PoS イーサリアムの場合はバリデーター）に行く傾向があります。

短期的：ガス戦争

最初の結果はすぐに明らかになりました。すべての MEV トランザクションには、成功したかどうかに関係なく、オンチェーンでの試行が含まれています。これにより、すでに限られているイーサリアムのブロックスペースの多くが無駄になり、信じられないほど高い手数料が発生します。

データソース: Etherscan

中期：合意の集中化

マイナーがブロックビルダーとしての自分たちの力に気づいたことで、新たな中央集権化の勢力が生まれました。ブロックビルダーは、入札に関係なく、MEV トランザクションが含まれることが保証されます。

注意: EIP-1559 以降も、ブロック ビルダーは基本料金を支払う必要があります。

新しい戦略は、ブロックビルダーがチェーンを積極的に監視し、MEV の機会を探して、自らの力を直接活用することです。これがコンセンサス メカニズムとは無関係に、集中化の強力なベクトルである理由は簡単にわかります。ブロック作成の頻度が高ければ高いほど、MEV の抽出が増えるからです。残念なことに、時間の経過とともに、MEV は規模の経済性により抽出を強化し、公平性という基本理念を破ってきました。

長期的: インセンティブの不一致

この集中化は二次的な結果をもたらします。ブロック内のトランザクションを順序付けるだけでなく、ブロックビルダーは期待どおりにブロックを追加するか、ブロックチェーンを数ブロック戻して、最近のトランザクションからすべての MEV 機会を事実上「盗む」かを選択できます。極端なケースでは、前のブロックの MEV を盗む方が利益率が高い選択肢となる場合がありますが、これは簡単に不安定なブロックチェーンにつながり、小さなフォークに分裂し続け、決済時間が長くなる可能性があります。

ありがたいことに、最後の問題はベース レイヤーに到達することはありませんでした。しかし、強力な経済的インセンティブに反して善意で行動する少数の著名な主体に頼ることは、イーサリアムが目指す回復力のレベルではありません。十分に長い期間にわたって、MEV が完全に抑制されないまま放置されると、Ethereum に実存的な脅威をもたらすことになります。

潜在的な解決策

MEV に関しては、上記の影響を軽減するための提案が数多く行われており、依然として研究が進められている分野です。考えられる解決策としては次のようなものがあります。

1. ブロックを手数料順に並べ替える

結果：

（１）ガス戦争への回帰

（２）ストレージプールのコンセンサスが欠如しているため、バリデータは不都合なトランザクションを無視することができる。

2. 含まれるトランザクションのランダムな順序を強制する

未解決の質問: 何がランダムであるかを誰が決めるのでしょうか?

結果：

（１）ガス戦争への復帰

（２）取引合意の遅延の増加

（３）バリデータは、MEVトランザクション以外のブロックを人為的に空のままにしておくことができ、その結果、悪い体験が生じる可能性があります。

3. 暗号化されたストレージプール

結果：

（１）有毒なMEVの削減

（２）検証者の誠実性の仮定を高める必要がある。

（３）待ち時間の増加（４）複雑性の増大

（５）検閲耐性の向上

（６）バリデーターの自己完結型MEVは影響を受けない

研究者たちは、暗号化や暗号経済学の方法を含む、より多くの潜在的な解決策を模索しています。 「MEV を全体的に解決する」ことは不可能です。障害があると、MEV 抽出がより難解になり、集中化が進むことになります。驚くべきことに、次善の策は、MEV は避けられず、好むと好まざるとにかかわらず常に中央集権化のベクトルとなることを受け入れることです。

4. ブロックチェーン建設市場

解決策は、ブロックを提案するプロセスとブロックを構築するプロセスを分離することです。これが Proposer-Builder Separation という名前です。 「ブロック提案者」というアイデアは、イーサリアムの PoS 設計にすでに存在しています。 12 秒ごとに、バリデータがブロック提案者として選択されます。ブロックがどのように構築されるかは問題ではありません。バリデーターの期待される仕事は、それをネットワークの残りの部分に提案することであり、他のすべてのバリデーターの仕事は、それを検証してルールに違反していないことを確認することです。

PBS の基本的な考え方は、ブロックビルダーが競争し、ブロックを提案する責任を持つバリデーターに入札を提出するというものです。このバリデータが行う必要があるのは、最高入札額のブロックを提案することだけです。

PBS を使用すると、激しい競争が繰り広げられる MEV 戦場が、ブロック構築が行われる場所に慎重に分離されます。さらに、オークション システムにより、すべてのバリデーターは、規模に関係なく、ブロック ビルダーによって発見された MEV の機会から簡単に利益を得ることができます。

MEV 自体を実際に修正しようとせずに、すべてを 1 つの大きなオークションに変えて諦めるのは、私たちが見たいものとは思えません。しかし、MEV は、まれな例外ケースと見なすにはあまりにも収益性が高いです。このようなオークションをプロトコルで直接義務付けない場合、オークションは何らかの形で存在し続けることになりますが、それは帯域外、不透明、そして前述の中央集権的な力の影響を受けることになります。制御されないまま放置されると、プライベートブロック構築オークションがどのようなものになるか、そしてそれがブロックチェーンの分散化と信頼できる中立性にどのような損害を与える可能性があるかは容易に想像できます。

PBS を使用すると、この避けられない経済的現実から利益を得ることができます。つまり、このような市場がどのようなものであるべきかに関するルールを設計し、気に入らない部分を排除できるのです。公平かつ透明性があり、すべてのバリデーターが簡単にアクセスできるようになります。

理想的なブロックチェーン市場

理想的な市場とはどのようなものでしょうか?

1. 中立

（１）ブロック提案者は特定のブロックビルダーを優遇するインセンティブを持たないこと。

（２）ブロック構築者は特定のブロック提案者を優遇するインセンティブを持たないこと。

2. ブロック提案者のオーバーヘッドを最小化する

（１）ハードウェア要件が低いため、市場にブロック提案者が増える。

3. バンドルされたセキュリティ

（１）ブロック提案者は、構築されたブロックを傍受し、自身のトランザクションをMEVトランザクションに置き換えることができないようにする必要がある。

4. 合意のシンプルさ

（１）ブロック構築市場によって構築されたブロックは、コンセンサス層に大きな変更を必要としない。

既存のブロックチェーン市場

PBS をプロトコルに直接実装するのは複雑で、時間がかかります。その一方で、同じ目標を達成するためにプロトコル外のソリューションもいくつか登場しましたが、それらには微妙なトレードオフが伴います。プロトコルに正式には書き込まれていませんが、プロトコル外の実装により、より高度な実験が可能になり、最終的な実装のための優れたテストベッドが提供されます。 Flashbots は、オール・オア・ナッシングバンドルと条件付き支払いを含むブロックチェーン構築マーケットプレイスを作成しました。

ツールには次のものが含まれます。

1. MEV-ゲス

（１）顧客の多様性に寄与しない

（２）合併前のみの作業

2. MEVブースト

（１）クライアントに依存せず、従来の実装の問題を解決します。

（２）バリデータはブロックを操作することはできない（ブロックヘッダーに署名した後、ブロック本体のみを受け取る）

しかし、オフプロトコル市場にはまだいくつかの欠点があります。

（１）リレーは依然として信頼される必要がある

（２）レビューの課題

画像提供: Jon Charbonneau および Delphi Digital

5. 残る疑問

適切な PBS 設計は、依然として活発に研究されている分野です。私たちには指針となる原則がありますが、最終的にそれを実行するのは簡単ではありません。

1. ブロックビルダーの集中化

ブロックビルダーの集中化はブロック提案者の集中化よりも害は少ないですが、それでも理想的ではありません。そのため、私たちは、最終的には中央集権型の組織を上回るパフォーマンスを発揮できるブロックビルダーの分散型ネットワークを構築するための研究を行っています。

2. 問題を確認する

crLists を実装すると検閲が可能になりますが、競争の激しい市場では、長期的なトランザクション検閲はコストがかかりすぎるため、ブロックビルダーがブロックを埋める必要があります。ブロックビルダーがブロックを埋めない場合、そのスペースはブロック提案者によって選択されたトランザクションで埋められます。この追加された防御により、ブロックビルダーの極端な集中化によってもたらされる実存的脅威が大幅に軽減されます。暗号化されたストレージ プールは、検閲の問題と有害な MEV の両方を解決することもできますが、基盤となるプロトコルのアップグレードが必要になります。

3. MEV差が大きい

たとえ PBS を通じてリターンが民主化されたとしても、ブロック提案者の幸運は、ステークされた ETH をプールするインセンティブとして残ります。エンティティのバリデーターの数が多いほど、ブロックを提案して MEV 報酬を受け取る可能性が高くなります。コア プロトコルに MEV スムージングを実装すると、MEV 報酬が集計されてバリデーターに均等に支払われるため、ステーキング報酬がステーキングされた金額に比例するという理想的な公平性のシナリオを実現できます。さらに、プロトコル内の MEV スムージングが最適な方法で実装されれば、プロトコル内の PBS 設計を回避するインセンティブが減少します。

4. 正式な仕様

PBS 分野には多くの重要な研究イニシアチブがありますが、インセンティブや経済性の正式な分析が著しく不足しています。さらに、研究分野は急速に変化しており、分析と実装の段階に到達する前に、必然的にさらなる開発が行われることになります。

VI.結論

過去数年間、MEV とプロトコルの研究では多くのことが行われており、それについて学ぶほど、トピックはより広範囲になります。まだ答えが出ていない疑問はありますが、私たちは分散型で回復力のある中立的なグローバル ネットワークへの道を歩んでいます。もっと深く知りたい場合は、Domothy がさらに読むためのリストをここにまとめています。

読んでくれてありがとう！これがお役に立てば幸いです。今後の投稿の通知を受け取るには、Twitter で @pseudotheos と @domothy をフォローしてください。この記事はCC BY-SAライセンスの下で提供されています。フィードバックとコメントを提供してくれた Jon Charbonneau、Dmitriy Berenzon、No Clue Capital に感謝します。