NNI:解析以太坊抢先交易原理及其解决方案

作为一般用户，可以通过设置较低的交易滑点和较高的Gas费来应对抢先交易。

本文旨在全面解析广泛存在于以太坊区块链上的攻击行为：Front-Running，通过对其原理的研究，寻找最有效的解决方案，最终帮助DeGate用户避免这一严重有损他们利益的攻击行为。

Front-Running和Mempool

简单来说，Front-Running是指在一笔正常交易等待打包的过程中，抢跑机器人通过设置更高Gas费用抢先完成攻击交易，以此攫取用户利益的攻击行为。而Mempool是一组已经广播到网络中并等待被打包进区块的以太坊交易，它是Front-Running可以实施的前提，抢跑机器人通过不断扫描Mempool中的交易，来分析发现可攻击的目标。下图是一个Mempool浏览器，可以通过设置各种筛选项订阅Mempool中的交易，并查看这些交易的全部详细信息。

在所有Front-Running中，最典型最具危害性的就是针对AMM交易的SandwichAttacks，除此以外还有针对套利、清算交易、闪电贷等利用系统漏洞获利的抢跑攻击，攻击者数量众多，且由自动化脚本控制，永远不知疲倦，因此任何有利可图的交易都会遭受他们的饱和攻击，几乎没有幸免的可能。

BitDNS入选火种源计划，将为BitCherry生态应用提供域名解析服务:据官方消息，2021年4月14日，BitDNS成为首批加入BitCherry分布式商业生态的合作伙伴。BitDNS将为BitCherry链上应用提供分布式域名解析服务，实现一键去中心化，帮助企业和个人用户更加便捷、安全的参与数字资产交易，管理链上价值数据信息。BitCherry将携手BitDNS打造去中心化的网络生态系统，建立安全便捷的链上分布式商业生态体系。[2021/4/14 20:18:34]

接下来，我们重点对三明治攻击进行分析。

SandwichAttacks

真实攻击案例

首先我们来看一个真实的三明治攻击案例。

上图可见，三笔交易在同一个区块被打包，两笔攻击交易中间夹着一笔正常交易。其具体流程如下：

用户首先发起一笔正常交易，用237000.705USDC买入DG，设置GasPrice为40.5Gwei；

浪潮集团王伟兵：标识解析、标识密码、区块链是构建工业区块链三个技术要素:金色财经现场报道，12月5日，2020世界区块链大会于武汉举办，会上浪潮集团区块链技术研究院首席架构师王伟兵演讲表示，消费互联网是实现人和人的连接的，工业互联网从技术上看更偏重物，工业互联网数量多，管理难度大，面向物的标识解析和密码学适合应用。标识解析的本质是提供名称映射的分布式数据库，构建工业区块链的三个技术要素是标识解析、标识密码、区块链。标识解析需要目录服务、数据共享，标识密码主要做设备身份认证、设备写入链，区块链则增强安全，完成可信交易。[2020/12/5 14:06:24]

抢跑机器人检测到这笔有利可图的交易后，随即展开攻击，发起一笔买入交易，设定GasPrice为49.9Gwei，凭借Gas竞争机制成功抢跑用户的正常交易；

与此同时，机器人发出另一笔卖出交易，设置GasPrice同样为40.5Gwei，因为时间顺序的原因，紧贴着用户正常交易完成。

一次完美的抢跑攻击完成，算上手续费，机器人共赚取16448.012-16310.3-15.2-10.61=$111.9，而这种两笔攻击交易夹着一笔正常交易的攻击，就被形象的称为三明治攻击。

原理说明

为了更好的说明攻击原理，我们补充一些相关背景知识。

动态 | EOS疑似将推出基于EOS的HandShake DNS解析服务:EOS疑似将推出基于EOS 的 HandShake DNS解析服务，一位开发者的Github显示正在开发EOS-handshake服务。Cosmos社区总监Chjango Unchained4月30日发推表示发现EOS开发者正在复用 Handshake 的开源代码。EOS或许会加入域名解析服务，生态会进一步扩大。（IMEOS）[2019/4/30]

我们知道，现如今的主流DEX如Uniswap等，采用的都是AMM机制，其价格遵循恒定乘积公式。例如，在Uniswap中建立一个A代币与ETH的流动池，A数量为1000，ETH数量为100，则两者数量乘积为100000，当前A价格为0.1ETH。当Alice试图用10个ETH来池子里购买A时，他所得到的A的数量X，可以用下面的公式推导(注：为简化计算，以下均未考虑手续费)：

\*=100000，X=90.9

这笔交易中，A的价格为10/90.9=0.11，相比于原来A的价格，价格滑点为:

/0.1\*100%=10%

一笔交易就让币价产生了10%的滑点，可见越是流动性差的池子，遇到大额交易，越是容易产生滑点。而如果，能在用户正常的大额交易前，抢先买入A，再在用户正常交易后，将刚买入的A卖出，就可以获得一笔不菲的收益。沿用刚才的例子，假设在Alice的交易前，Bob抢先花5个ETH购买A，然后在Alice的交易完成后，Bob再把之前买入的A卖出，我们看看会有什么样的结果。

分析 | 资金流入榜首DASH盘面解析:在过去24小时中，DASH在各主流币中非常强势，资金净流入31.97亿人民币。从图中可以看出，DASH目前4小时走势处于上升楔形三角中，底部不断抬高，100均线上穿长期200均线，表明近期压力位将会上移，并且MA100和MA 200将会对币价起到支撑作用，不过目前两均线的缺口在收窄，说明近期上冲动能在逐步减弱，RSI显示进入超买区域，短期有回撤蓄势的需求，上方压力95，下方支撑89，收盘若站稳89上方，还会有上涨空间，反之币价可能回撤至三角底部$75附近寻求支撑。利好消息面，区块链支付服务PolisPay宣布与Dash合作，将支持其万事达卡借记卡。[2019/3/13]

首先是Bob的抢跑交易：

(1000-X)\*(100+5)=100000,X=47.62

即，Bob用5ETH购得47.62个A

接下来是Alice的正常交易，注意此时流动池中A的数量变为952.38，ETH的数量变为105：

(952.38-X)\*(105+10)=100000,X=82.81

最后Bob卖出47.62个A的交易，此时流动性中A的数量为869.57，ETH的数量为115：

\*=100000，Y=5.97

分析 | 杯柄形态ENJ最高涨幅83% 盘面解析:金色分析师：今日山寨币ENJ最高涨幅83%，消息面上，ENJ确定成为三星Galaxy S10手机的合作伙伴。从盘面上看，小时图币价在未启动前一直处于上升趋势中，前期已经涨了一波，缩量调整回落，然后放量上攻，到达前期高处时候，又再次缩量调整，然后在放量上攻突破前期高点，然后币价进入直线拉升趋势，营造杯状带柄形态。[2019/3/8]

通过这一次抢跑攻击，Bob净赚5.97-5=0.97个ETH，而Alice净亏90.9-82.81=8.09个A，Bob通过使Alice蒙受更大的滑点损失来获得自己的收益！

当然，实际的抢跑攻击会更复杂，攻击者需要进行更精密的计算，以求实现以下两个目标：

让用户的交易结果无限逼近用户自己设置的最大滑点，以求达到理论上的最大套利空间

在手续费竞争力和收益之间取得平衡，尽可能的在与其他机器人的竞争中获胜

我们用图表来更好的描述这一过程：

用户在A点，打算投入in_amount(user)个USDT购买ETH，这笔交易正常会把当前状态推向B，同时用户设置了最大滑点为B(max_slippage)；

抢跑机器人监测到这笔交易，先于用户交易之前，进行了一笔in_amount(robot)个USDT的买入交易，将当前状态推到A'；

用户的交易随后执行，达到其设置的最大滑点B(max_slippage)；

抢跑机器人把步骤2中买入的ETH卖出，状态达到C点，得到out_amount(robot)个USDT

抢跑机器人获得收益out_amount(robot)-in_amount(robot)-手续费

解决方案

既然我们已经看到了Front-Running的杀伤力，那我们有什么办法阻止抢跑攻击呢？

作为一般用户，应对Front-Running可以有以下几种手段：

设置较低的交易滑点，比如0.1%，这会让抢跑机器人缺少可盈利的空间。?缺点：滑点过低导致大额交易十分容易失败，且失败的交易仍然需要支付高昂手续费。

提高gas费用，这会增加机器人的攻击成本。缺点：这同样也增加了自己的交易成本。

可以看出，以上解决方案都是无奈之举，且有各种不足，幸运的是，有很多团队认识到了Front-Running的危害性，并提出了不少有建设性的解决方案。首先通过对捕猎全过程的分析，我们可以得出结论，要实现Front-Running，需要几个要素：

Transaction公开性：可以在Mempool中获取交易的详细信息

以太坊交易执行机制：可以通过gas竞争的方式抢先完成交易

AMM交易曲线机制：恒定乘积机制可以造成较大滑点

那么反制手段就是分别在这几个要素上做文章。

Transaction公开性

既然机器人是通过分析Mempool中的交易来决定是否发起攻击，那么我们将交易信息直接加密，让机器人看不到或者看不懂不就好了？

社区中就有人提议使用零知识证明技术zk-SNARKs来达成上述目标，即运用zk-SNARKs将每笔交易的信息都加密隐藏起来，让机器人无从下手。

不过，目前该方案还不够成熟，存在需要消耗更高Gas费用和可能被利用来进行阻塞攻击，导致系统化整体liveness的缺陷。

以太坊交易执行机制

当前的以太坊交易执行机制是通过Gas竞争来完成的，即谁出的Gas费高，矿工就优先打包谁的交易，那么我们如果绕过这种机制，把交易发给矿工让其直接打包，就杜绝了抢跑机器人在中途攻击的可能性

所以一种类似于Layer0的方案也得到了一些应用，如星火矿池的Taichi服务，用户可以直接在MetaMask中设置Taichi的以太坊节点，这样交易就直接在没有出现在Mempool的情况下被打包了，但劣势是被打包的时效有一定的不确定性。

另外，如ArcherSwap类似理念的解决方案，构建了交易者和矿工之间的桥梁，交易者可以通过打赏的形式让矿工直接打包自己的交易，这就避免了被Front-Running的可能。虽然有那么点交保护费来避免被攻击的感觉，但也实实在在的降低了交易者的成本，而且有着不收取交易失败费用的优势。

AMM算法优化

在AMM机制下，大额交易产生过大的价格滑点，是Front-Running的利润空间，如果有一种AMM机制可以减少大额交易对后续交易价格的影响，就可以有效防止Front-Running攻击。早在2018年，Vitalik在以太坊技术社区中提供了一个方案，当发生兑换交易时，交易池价格不会立刻调整成真实价格，而是在若干分钟内，缓慢的趋向真实价格，这就好像交易池凭空多出了很多流动性一样，因此我们将这种技术称之为VitrualBalance技术。这种新机制，可大大压缩套利者的利润空间，有效防御Front-Running攻击，同时还可以增加流动性做市商的收益，可谓一举多得，1inch的mooniswap就是这个方案的一个实现版本。

增加流动性

此外，还有种思路，就是尽可能的加大交易池中特定价格区间的流动性，流动性越大，滑点越小，当流动性大到一定程度的时候，抢跑机器人就丧失了盈利空间，Uniswap的V3版本的聚焦流动性特性，就是在这方面做出的努力。

展望未来

我们有理由相信，在各个团队坚持不懈的努力之下，随着各种解决方案的持续演进，以及新一代AMM、以太坊二层等技术的相继落地，很快我们就可以为用户提供一个更公平更安全的链上交易环境。

撰文：DeGate

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