Towards understanding Multi-block Maximal Extractable Value in Ethereum

Abstract

Die Erfindung von Ethereum und seinen Smart-Contract-Fähigkeiten hat den Aufstieg von Decentralized Finance (DeFi) vorangetrieben und ein neues, Blockchain-basiertes Paradigma für Finanzdienstleistungen geschaffen. DeFi-Nutzer stehen jedoch vor einer erheblichen Bedrohung, die monatliche Verluste in Millionenhöhe verursacht: Maximal Extractable Value (MEV).MEV bezeichnet den Gewinn, der durch die Manipulation der Reihenfolge von Transaktioneninnerhalb eines Blocks erzielt wird. In Ethereum ist dies möglich, weil Validatoren in der Lage sind, Blöcke vorzuschlagen und dadurch deren Transaktionsreihenfolge zu bestimmen. Außerdem ist ein Marktplatz entstanden, auf dem Validatoren den Inhalt des ihnen zugewiesenen Blocks verkaufen wodurch professionelle Akteure MEV-Möglichkeiten ausnutzen können. In den letzten Jahren hat das Problem von MEV in Ethereum zugenommen und damit erhebliches Forschungsinteresse geweckt. Eine Schwierigkeit in der Erforschung von MEV ist allerdings, dass Akteure monetäre Anreize haben, ihre Strategien zu verbergen, da deren Offenlegung zur Nachahmung führen würde. Es wurden sogar Bots beobachtet, welche die in Transaktionen enthaltenen Strategien nachahmen, um davon zu profitieren, ohne die zugrunde liegenden Strategien zu verstehen. Obwohl Methoden zur Identifizierung und Quantifizierung von MEV existieren, bleiben Herausforderungen bestehen, insbesondere bei komplexeren Strategien wie Blockchain übergreifendes MEV und Multi-block MEV. Diese Masterarbeit zielt darauf ab, das Verständnis von Multi-block MEV zu vertiefen. Sie beginnt mit einer umfassenden Übersicht über die aktuelle Literatur zu MEV und identifiziert Ungenauigkeiten und Diskrepanzen in der MEV-Quantifizierung, selbst in Single-Block-Szenarien. Erhebliche Diskrepanzen wurden in den Ergebnissen von MEV Quantifizierungs-Tools wie MEV-Inspect und EigenPhi gefunden, was den Bedarf an zuverlässigeren MEV-Erkennungsmethoden unterstreicht. Um sich diesen Problemen zu widmen, verbessert diese Arbeit die MEV-Erkennungskapazitäten des Open-Source-Tools MEV-Inspect und führt innovative Heuristiken zur Berechnung von Liquidationsgewinnen ein. Auf diesen Verbesserungen aufbauend wird eine Untersuchung von Multi-block MEV durchgeführt. Eine Missed-Block-Strategie wird formuliert und deren theoretische finanzielle Machbarkeit bewertet. Darüber hinaus zeigt die Analyse, dass block builder mehr für aufeinanderfolgende Blöcke zahlen, was darauf hindeutet, dass Multi-block MEV-Strategien bereits eingesetzt werden.

The emergence of Ethereum and its Smart Contract capabilities has spurred the rise ofDecentralized Finance (DeFi), creating a new, blockchain-based paradigm for financialservices. However, DeFi users face a significant threat that results in millions of dollarsin monthly losses: Maximal Extractable Value (MEV).MEV refers to the profit gained by manipulating the order of transactions within a block.In Ethereum, this is possible because validators have the authority to propose blocksand determine their transaction order. Furthermore, a marketplace has emerged wherevalidators sell this block space, allowing professional actors to participate and thus alsoexploit MEV opportunities.In recent years, the issue of MEV has become increasingly prevalent in Ethereum, thusattracting significant research attention. This research, however, is complicated by themonetary incentives for players to conceal their strategies, as revealing them would lead totheir replication by others. Even bots have been observed copying other MEV-exploitingtransactions to profit from them without understanding the underlying strategies. Whilemethods for identifying and quantifying MEV exist, challenges remain, especially withmore complex strategies such as cross-chain MEV and Multi-block MEV.This thesis aims to advance the understanding of Multi-block MEV. It begins with acomprehensive review of the current literature on MEV, identifying major blind spots anddiscrepancies in MEV quantification, even in single-block settings. Notably, significantdiscrepancies are found in the results generated by tools designed for MEV detection, suchas MEV-Inspect and EigenPhi, underscoring the need for more reliable MEV detectionmethodologies.To address these challenges, this thesis enhances the MEV detection capabilities ofthe open-source tool MEV-Inspect and introduces innovative heuristics for calculatingLiquidation profits. Building on these improvements, a preliminary investigation intoMulti-block MEV is conducted. A simple Missed-Block strategy is formulated, andits theoretical financial feasibility is assessed. Furthermore, the analysis reveals thatblock builders pay a premium for consecutive blocks, suggesting that Multi-block MEVstrategies are already employed.