Analysis of front running vulnerabilities in solidity smart contracts

Abstract

Blockchain-Technologien, insbesondere Smart Contracts auf Plattformen wie Ethereum, haben in den letzten Jahren sowohl bei Entwicklerinnen und Entwicklern als auch bei Forscherinnen und Forschern stark an Bedeutung gewonnen. Dennoch gibt es in diesem schnell wachsenden Ökosystem immer wieder Sicherheitsprobleme, die des Öfteren für Schlagzeilen in den Medien sorgen. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt auf einer bestimmten Kategorie von Schwachstellen, dem sogenannten Front-Running. Diese Schwachstelle nutzt eines der Grundprinzipien der Blockchain-Technologie, nämlich ihre Transparenz, aus, um sich Vorteile zu verschaffen und den Opfern erhebliche finanzielle Verluste zuzufügen. Ziel dieser Arbeit ist es, eine gründliche Analyse dieser Art von Schwachstellen in Solidity-Smart-Contracts durchzuführen.Zunächst werden grundlegende Informationen zur Blockchain-Technologie und zu Smart Contracts gegeben, wobei Ethereum und dessen dazugehörige Programmiersprache Solidity im Mittelpunkt stehen. Außerdem wird eine Sammlung von dokumentierten Solidity-Codebeispielen präsentiert, die verschiedene Angriffsszenarien für bekannte Unterkategorien demonstrieren. Nach einer ausführlichen Beschreibung von Front-Running und dessen Auswirkungen in dezentralisierten Programmen wird ein Überblick über die bestehende Forschung zu diesem Thema gegeben. Mittels einer gründlichen Literaturrecherche werden unterschiedliche Definitionen betrachtet und analysiert, um ein umfassendes Verständnis von Front-Running zu schaffen.Um auf die aktuelle Situation einzugehen, wird das Phänomen des Maximum Extractable Value (MEV) genauer analysiert, wobei der historische Hintergrund, seine Auswirkungen und schlussendlich auch einige Fallstudien realer Angriffe und deren Folgen betrachtet werden.

Blockchain technologies, especially smart contracts on platforms such as Ethereum, have gained significant popularity in recent years among developers and researchers. However, security concerns continue to plague this ecosystem, which provides a consistent stream of headlines to media outlets. The main focus of this thesis is a specific class of vulnerabilities known as front-running. This vulnerability exploits one of the fundamental principles of blockchain technology, its transparency, to gain unfair advantages and inflict significant financial losses on victims. This thesis aims to provide a thorough analysis of front-running vulnerabilities in Solidity smart contracts.We begin by providing a comprehensive background on blockchain technology and smart contracts, with Ethereum and its programming language, Solidity, as the primary focus. We also present a collection of documented Solidity code examples demonstrating different attack scenarios for all known front-running subcategories. After thoroughly describing the concept of front-running in decentralized applications, we provide a comprehensive overview of existing research on the topic. By means of rigorous literature research, different definitions will be analyzed to provide a well-rounded understanding of front-running.To address the current situation, we analyze the phenomenon of Maximum Extractable Value (MEV) in more detail, analyzing its historical background, its real-world impact, and finally presenting case studies of real attacks and their aftermath serving as a demonstration of the practical relevance and applicability of our research in understanding and mitigating front-running vulnerabilities.