Front Running 是 DEX 面臨的普遍問題，也是阻礙 DEX 成為主流選擇的重要原因。
撰文：李畫
致謝：郭宇、孫志鵬、吳為龍、焦慮研究院
在《明日邊緣》中，人類的各種戰術對於入侵的外星人都是無效的，因為一旦這種戰術生效，外星人在被幹掉後就會把時間倒回到戰役發生前，整個過程重來一遍。在這個新的時間中，外星人知道什麼將會發生，當然也就知道怎麼應對。
《明日邊緣》宣傳語：生死輪迴
在區塊鏈中，也有人知道什麼將會發生。他們不僅知道未來會發生的事情，他們還可以像《明日邊緣》中的外星人一樣，利用這種資訊去行動，以生成一種對自己有利的未來。
這一切從何說起？就從最近風口浪尖的閃電貸事件開始。
閃電貸事件始末
閃電貸事件中駭客賺錢的方法與你我的方法無異：低點買，高點賣。唯一不同的是駭客知道低點在哪兒、高點在哪兒。他為什麼知道？因為馬上要把價格拉昇起來的人正是他自己。
一個僅用於說明原理的模擬攻擊過程是這樣的：透過 dYdX 的閃貸功能借入 60 ETH，然後在 Compound 抵押 40 ETH 借出 1 BTC，再用剩下的 20 ETH 在 bZx 加 5 倍槓桿買入 BTC，此槓桿交易的流動性由 Uniswap 提供，導致 Uniswap 上 BTC 對 ETH 的價格猛漲，這時候再把 1 BTC 賣給 Uniswap，假設平均賣價漲了一倍，就能賣出 80 ETH，還掉最初借的 60 ETH，盈利 20 ETH。（真實過程可閱讀文末的參考資料 1、2）
圖自 CryptoLaboratory
可以認為駭客有兩個分身，分身一拉盤（20 ETH × 5 = 100 ETH），分身二獲利（40 ETH），在這個過程中，分身二賺的錢以及 Uniswap 做市商賺的錢加起來應該等於分身一虧的錢，也就是說總體算下來，駭客是賠錢的，但由於 bZx 存在合約漏洞，沒有及時爆分身一的倉，導致 bZx 的儲戶也一起承擔了虧損，而這正是駭客攻擊可以成立的原因。閃電貸在整起事件中的作用只是提供初始資金，使得駭客可以無成本、零風險完成攻擊。
不過，這起攻擊事件本身不是本文關注的核心，講述這個例子是因為它清晰地展現了一件事情：如果知道未來有人會大量買入（市場上會有大的價格波動），就可以在其買入前「埋伏」起來，實現盈利。形象化來說就是：如果 A 計劃買入大量 ETH， B 知道了 A 的購買意圖，就可以搶在 A 之前以當前價格買入 ETH，再以更高的價格賣掉，賺取差額。
在傳統金融市場中，這種行為屬於 Front Running （搶先交易）。Front Running 是指：如果從非公開資訊中預先知道會影響到資產價格的大型交易，就可以搶先買賣以獲得利潤。
它主要包含兩種情況：
交易商在執行客戶買賣委託前，認為客戶的買賣將改變市場價格，因此先替自己的賬戶買賣的行為；
經紀商在自己發表的研究報告尚未廣為散播之前，先行買賣股票的行為。
在鏈上的去中心化交易市場中，Front Running 與上述的第一種情況比較類似，是在得知對方的購買意圖後，搶先完成自己的交易。這種行為在傳統金融市場中是違法的，因為利用的是非公開資訊，但在區塊鏈上很難認定它違法，因為其利用的是「公開」資訊。
由於區塊鏈時間的特殊性，區塊鏈上的未來是可以在發生前被「看見」的，也就是說，我們在一筆交易發生之前便知道這筆交易會發生，就像執行客戶買賣委託的交易商知道買賣會發生一樣。
區塊鏈的時間特殊性
區塊鏈是一個分散式的系統，其最大的問題之一是參與者無法就物理時間達成共識。但為了確定交易順序從而避免雙花，網路參與者們對時間達成共識又非常重要，因此中本聰把工作量證明與最長鏈原則結合在一起，實現時間戳服務：用區塊的先後順序代表時間的先後順序，參與者們只需對區塊順序達成一致即可。可以認為區塊是區塊鏈上的基本時間單位。
那麼，如何把一筆交易的分秒時間單位轉換成區塊時間單位？
交易在被提交後，會進入一個叫做交易池的地方，這裡還有很多其他交易。礦工會從交易池中選擇交易打包進下一個區塊，這些交易有預設的優先次序，物理時間是決定次序的一個因素，但不是最重要的因素，比如礦工費就遠比物理時間重要。只有被選擇進入下一個區塊的交易，才會從分秒時間單位轉換成區塊時間單位，也只有當這種轉換完成後，這筆交易才算真正地在區塊鏈上發生。
不難發現，交易要先在物理時間發生，然後在交易池中等待，最後在區塊鏈上發生。這個不確定的等待過程會導致交易意圖暴露，使得 Front Running 很容易發生。
誰能看見暴露了的交易意圖？最典型的是礦工。礦工是打包交易的人，他們不僅能看見交易，甚至知道哪些交易會進入下一個區塊，以及這些交易在同一區塊中的順序。從技術角度而言，礦工可以透過對交易次序的干預，把自己的交易插入到合適的位置。在 Front Running 這件事上，沒有人比礦工更具優勢。
除了礦工，我們每個人也都可以看到交易意圖。因為交易是先被廣播到網路，然後進入交易池的，而所有人都可以去監聽交易廣播。對於 DEX 上的交易者、交易機器人而言，只需要監控 DEX 上的交易情況，在發現交易意圖後，透過提高交易費的方法讓自己的交易排在前邊，從而完成 Front Running，實現無風險盈利。
但 Front Running 顯然是不公平的，它破壞了正常交易者的交易策略、損害了他們的交易利益。一個不準確但可以說明問題的例子：你計劃從市場購買 100ETH，可能的平均價格是 270 美元 /ETH；但交易機器人發現你的交易意圖後搶先買入，它是以 270 美元 /ETH 價格買的，而你可能就要以拉昇後的 280 美元/ETH 的價格買，多花費 1000 美元。
在這種情況下，人們怎麼可能在 DEX 上進行大規模的交易？每筆交易都有可能被「揩油」。只要 Front Running 存在，DEX 就難成規模。
DEX 上的 Flash Boys
2019 年，活躍的康奈爾大學區塊鏈研究員菲利普•戴安與同事一起發表了一篇論文，名為《Flash Boys 2.0：去中心化交易中的搶先交易，交易重排及不穩定共識》，分析了區塊鏈上的交易機器人透過提高交易費、減少網路延遲進行搶先交易的情況。
Flash Boys 來源於《大空頭》作者邁克爾·劉易斯的《Flash Boys：一場華爾街起義》一書，指代的是華爾街上的一群高頻交易員們。
《Flash Boys：一場華爾街起義》，邁克爾·劉易斯著
區塊鏈上的 Front Running 會被拿來與高頻交易（High Frequency Trading）進行比較，因為它們具有一定的相似性。
高頻交易會在所有交易所放上「誘餌」訂單，這些小額訂單提供最低的賣價和最高的買價，當一筆大交易分拆成多筆交易在多個交易所完成時，它們最先遇到的總是這些誘餌，如此一來其交易意圖就可能暴露（還有其他方法一起預測該交易的情況）；與此同時，高頻交易利用更好的技術與更「直」的網線，搶在這筆大交易的其餘部分完成之前，在各個交易所進行相關股票的買賣，然後透過價格差賺錢。
高頻交易究竟有多賺錢？我們可以找到一個有趣的途徑進行反推：劉易斯曾談論過一個為 Citadel 證券工作的人，他每年的薪水是 9000 萬美元，但他後來憤怒地離職了，因為覺得公司沒有給夠他薪酬。
高頻交易和區塊鏈上的 Front Running 都包括兩個基本的組成部分：發現交易意圖，搶先完成交易。只不過前者是透過「誘餌」發現交易意圖，後者是透過監聽發現交易意圖；前者是透過更好的技術把自己的交易提前，後者是透過更高的交易費把自己的交易提前。
兩者的不同之處在於，高頻交易的時間視窗很小，所有人都是以納秒為單位進行賽跑，這對高頻交易系統有著極高的要求；而區塊鏈上的 Front Running 基本只受交易費的影響，出的錢越多，就越能跑到前邊。
總體而言，從交易的手法來說，區塊鏈上 Front Running 更接近於傳統金融市場中的高頻交易，只不過用更高的交易費代替了更「直」的網線。從性質、不公平的程度，以及對市場的傷害而言，它則更接近於傳統金融市場中的 Front Running，只不過在區塊鏈上這種交易行為算不上違法，因此也不能被禁止。
解決之道
避免去中心化交易中的 Front Running 問題，需要從 DEX 本身的設計入手。不同特點的 DEX 協議，可能會發展出不同的方法。
荷蘭拍模式的 DEX 協議很難發生 Front Running，典型的代表是 DutchX，交易間的競爭主要基於價格而不是基於「時間」，且這些交易都以相同的價格被執行，Front Running 無利可圖。不過由於荷蘭拍完成的時間較長，對時間敏感的交易需求無法透過 DutchX 滿足。
自動化做市模式的 DEX 協議較難阻擊 Front Running，比如 Uniswap，它根據可用的流動性自動調整價格，交易的大小對報價有較大影響，而交易的順序就決定了成交的價格。為了減少 Front Running 帶來的破壞，Uniswap 採用的方法是允許使用者指定交易的最高價格，這樣一來使用者可能無法完成交易，但不會以難以接受的高價完成交易。不過這是一種權宜之計，真正解決問題的方法還需要進一步被探索。
目前應用最廣泛的、基於訂單簿模式的 DEX 協議，在對抗 Front Running 的難易程度上基於前兩類協議之間。可以透過對 DEX 的設計來減少 Front Running 的影響：已經被應用的方法是引入一些中心化，比如由管理員在鏈下完成訂單的匹配，並限制只允許管理員最終提交至鏈上進行結算；正在發展中的方法是利用零知識證明，隱藏交易者的交易意圖。根據已有的經驗，用密碼學的方法來解決區塊鏈上的問題似乎是比較理想的途徑。
Front Running 是 DEX 面臨的普遍問題，也是阻礙 DEX 成為主流選擇的重要原因。但隨著技術的發展，我們有可能規避或控制 Front Running。本文討論的是 DEX 的問題，但這些問題並不能用來證明 DEX 不是一種好的選擇，我們討論它，恰恰因為它值得討論。
參考資料
《Bzx 閃電貸事件之套利邏輯，盈虧分析和敏感度測試》，作者：天然；
《PeckShield：硬核技術解析，bZx 協議遭駭客漏洞攻擊始末》，作者：PeckShield；
《閃電貸：一筆以太坊交易能做什麼？》，作者：阿劍；
《談去中心化交易所 Front-Running 的問題時，我們在談什麼？》，作者：克洛說；https://bihu.com/article/1695326980
