Front Running：​去中心化交易的阿喀琉斯之踵

撰文：李画

来源：链闻

致谢：郭宇、孙志鹏、吴为龙、焦虑研究院

在《明日边缘》中，人类的各种战术对于入侵的外星人都是无效的，因为一旦这种战术生效，外星人在被干掉后就会把时间倒回到战役发生前，整个过程重来一遍。在这个新的时间中，外星人知道什么将会发生，当然也就知道怎么应对。

《明日边缘》宣传语：生死轮回

在区块链中，也有人知道什么将会发生。他们不仅知道未来会发生的事情，他们还可以像《明日边缘》中的外星人一样，利用这种信息去行动，以生成一种对自己有利的未来。

这一切从何说起？就从最近风口浪尖的闪电贷事件开始。

闪电贷事件始末

闪电贷事件中黑客赚钱的方法与你我的方法无异：低点买，高点卖。唯一不同的是黑客知道低点在哪儿、高点在哪儿。他为什么知道？因为马上要把价格拉升起来的人正是他自己。

一个仅用于说明原理的模拟攻击过程是这样的：通过 dYdX 的闪贷功能借入 60 ETH，然后在 Compound 抵押 40 ETH 借出 1 BTC，再用剩下的 20 ETH 在 bZx 加 5 倍杠杆买入 BTC，此杠杆交易的流动性由 Uniswap 提供，导致 Uniswap 上 BTC 对 ETH 的价格猛涨，这时候再把 1 BTC 卖给 Uniswap，假设平均卖价涨了一倍，就能卖出 80 ETH，还掉最初借的 60 ETH，盈利 20 ETH。（真实过程可阅读文末的参考资料 1、2）

图自 CryptoLaboratory

可以认为黑客有两个分身，分身一拉盘（20 ETH × 5 = 100 ETH），分身二获利（40 ETH），在这个过程中，分身二赚的钱以及 Uniswap 做市商赚的钱加起来应该等于分身一亏的钱，也就是说总体算下来，黑客是赔钱的，但由于 bZx 存在合约漏洞，没有及时爆分身一的仓，导致 bZx 的储户也一起承担了亏损，而这正是黑客攻击可以成立的原因。闪电贷在整起事件中的作用只是提供初始资金，使得黑客可以无成本、零风险完成攻击。

不过，这起攻击事件本身不是本文关注的核心，讲述这个例子是因为它清晰地展现了一件事情：如果知道未来有人会大量买入（市场上会有大的价格波动），就可以在其买入前「埋伏」起来，实现盈利。形象化来说就是：如果 A 计划买入大量 ETH， B 知道了 A 的购买意图，就可以抢在 A 之前以当前价格买入 ETH，再以更高的价格卖掉，赚取差额。

在传统金融市场中，这种行为属于 Front Running （抢先交易）。Front Running 是指：如果从非公开信息中预先知道会影响到资产价格的大型交易，就可以抢先买卖以获得利润。

它主要包含两种情况：

交易商在执行客户买卖委托前，认为客户的买卖将改变市场价格，因此先替自己的账户买卖的行为； 经纪商在自己发表的研究报告尚未广为散播之前，先行买卖股票的行为。

在链上的去中心化交易市场中，Front Running 与上述的第一种情况比较类似，是在得知对方的购买意图后，抢先完成自己的交易。这种行为在传统金融市场中是违法的，因为利用的是非公开信息，但在区块链上很难认定它违法，因为其利用的是「公开」信息。

由于区块链时间的特殊性，区块链上的未来是可以在发生前被「看见」的，也就是说，我们在一笔交易发生之前便知道这笔交易会发生，就像执行客户买卖委托的交易商知道买卖会发生一样。

区块链的时间特殊性

区块链是一个分布式的系统，其最大的问题之一是参与者无法就物理时间达成共识。但为了确定交易顺序从而避免双花，网络参与者们对时间达成共识又非常重要，因此中本聪把工作量证明与最长链原则结合在一起，实现时间戳服务：用区块的先后顺序代表时间的先后顺序，参与者们只需对区块顺序达成一致即可。可以认为区块是区块链上的基本时间单位。

那么，如何把一笔交易的分秒时间单位转换成区块时间单位？

交易在被提交后，会进入一个叫做交易池的地方，这里还有很多其他交易。矿工会从交易池中选择交易打包进下一个区块，这些交易有默认的优先次序，物理时间是决定次序的一个因素，但不是最重要的因素，比如矿工费就远比物理时间重要。只有被选择进入下一个区块的交易，才会从分秒时间单位转换成区块时间单位，也只有当这种转换完成后，这笔交易才算真正地在区块链上发生。

不难发现，交易要先在物理时间发生，然后在交易池中等待，最后在区块链上发生。这个不确定的等待过程会导致交易意图暴露，使得 Front Running 很容易发生。

谁能看见暴露了的交易意图？最典型的是矿工。矿工是打包交易的人，他们不仅能看见交易，甚至知道哪些交易会进入下一个区块，以及这些交易在同一区块中的顺序。从技术角度而言，矿工可以通过对交易次序的干预，把自己的交易插入到合适的位置。在 Front Running 这件事上，没有人比矿工更具优势。

除了矿工，我们每个人也都可以看到交易意图。因为交易是先被广播到网络，然后进入交易池的，而所有人都可以去监听交易广播。对于 DEX 上的交易者、交易机器人而言，只需要监控 DEX 上的交易情况，在发现交易意图后，通过提高交易费的方法让自己的交易排在前边，从而完成 Front Running，实现无风险盈利。

但 Front Running 显然是不公平的，它破坏了正常交易者的交易策略、损害了他们的交易利益。一个不准确但可以说明问题的例子：你计划从市场购买 100ETH，可能的平均价格是 270 美元 /ETH；但交易机器人发现你的交易意图后抢先买入，它是以 270 美元 /ETH 价格买的，而你可能就要以拉升后的 280 美元/ETH 的价格买，多花费 1000 美元。

在这种情况下，人们怎么可能在 DEX 上进行大规模的交易？每笔交易都有可能被「揩油」。只要 Front Running 存在，DEX 就难成规模。

DEX 上的 Flash Boys

2019 年，活跃的康奈尔大学区块链研究员菲利普•戴安与同事一起发表了一篇论文，名为《Flash Boys 2.0：去中心化交易中的抢先交易，交易重排及不稳定共识》，分析了区块链上的交易机器人通过提高交易费、减少网络延迟进行抢先交易的情况。

Flash Boys 来源于《大空头》作者迈克尔·刘易斯的《Flash Boys：一场华尔街起义》一书，指代的是华尔街上的一群高频交易员们。

《Flash Boys：一场华尔街起义》，迈克尔·刘易斯著

区块链上的 Front Running 会被拿来与高频交易（High Frequency Trading）进行比较，因为它们具有一定的相似性。

高频交易会在所有交易所放上「诱饵」订单，这些小额订单提供最低的卖价和最高的买价，当一笔大交易分拆成多笔交易在多个交易所完成时，它们最先遇到的总是这些诱饵，如此一来其交易意图就可能暴露（还有其他方法一起预测该交易的情况）；与此同时，高频交易利用更好的技术与更「直」的网线，抢在这笔大交易的其余部分完成之前，在各个交易所进行相关股票的买卖，然后通过价格差赚钱。

高频交易究竟有多赚钱？我们可以找到一个有趣的途径进行反推：刘易斯曾谈论过一个为 Citadel 证券工作的人，他每年的薪水是 9000 万美元，但他后来愤怒地离职了，因为觉得公司没有给够他薪酬。

高频交易和区块链上的 Front Running 都包括两个基本的组成部分：发现交易意图，抢先完成交易。只不过前者是通过「诱饵」发现交易意图，后者是通过监听发现交易意图；前者是通过更好的技术把自己的交易提前，后者是通过更高的交易费把自己的交易提前。

两者的不同之处在于，高频交易的时间窗口很小，所有人都是以纳秒为单位进行赛跑，这对高频交易系统有着极高的要求；而区块链上的 Front Running 基本只受交易费的影响，出的钱越多，就越能跑到前边。

总体而言，从交易的手法来说，区块链上 Front Running 更接近于传统金融市场中的高频交易，只不过用更高的交易费代替了更「直」的网线。从性质、不公平的程度，以及对市场的伤害而言，它则更接近于传统金融市场中的 Front Running，只不过在区块链上这种交易行为算不上违法，因此也不能被禁止。

解决之道

避免去中心化交易中的 Front Running 问题，需要从 DEX 本身的设计入手。不同特点的 DEX 协议，可能会发展出不同的方法。

荷兰拍模式的 DEX 协议很难发生 Front Running，典型的代表是 DutchX，交易间的竞争主要基于价格而不是基于「时间」，且这些交易都以相同的价格被执行，Front Running 无利可图。不过由于荷兰拍完成的时间较长，对时间敏感的交易需求无法通过 DutchX 满足。

自动化做市模式的 DEX 协议较难阻击 Front Running，比如 Uniswap，它根据可用的流动性自动调整价格，交易的大小对报价有较大影响，而交易的顺序就决定了成交的价格。为了减少 Front Running 带来的破坏，Uniswap 采用的方法是允许用户指定交易的最高价格，这样一来用户可能无法完成交易，但不会以难以接受的高价完成交易。不过这是一种权宜之计，真正解决问题的方法还需要进一步被探索。

目前应用最广泛的、基于订单簿模式的 DEX 协议，在对抗 Front Running 的难易程度上基于前两类协议之间。可以通过对 DEX 的设计来减少 Front Running 的影响：已经被应用的方法是引入一些中心化，比如由管理员在链下完成订单的匹配，并限制只允许管理员最终提交至链上进行结算；正在发展中的方法是利用零知识证明，隐藏交易者的交易意图。根据已有的经验，用密码学的方法来解决区块链上的问题似乎是比较理想的途径。

Front Running 是 DEX 面临的普遍问题，也是阻碍 DEX 成为主流选择的重要原因。但随着技术的发展，我们有可能规避或控制 Front Running。本文讨论的是 DEX 的问题，但这些问题并不能用来证明 DEX 不是一种好的选择，我们讨论它，恰恰因为它值得讨论。

参考资料

《Bzx 闪电贷事件之套利逻辑，盈亏分析和敏感度测试》，作者：天然； 《PeckShield：硬核技术解析，bZx 协议遭黑客漏洞攻击始末》，作者：PeckShield； 《闪电贷：一笔以太坊交易能做什么？》，作者：阿剑； 《谈去中心化交易所 Front-Running 的问题时，我们在谈什么？》，作者：克洛说；https://bihu.com/article/1695326980