Original Title: Enabling the future of onchain markets: The role of predictability
Original Authors: @PGarimidi, @jneu_net, @MaxResnick, a16z
Translation: Peggy, BlockBeats

Editor's Note: As blockchain performance continues to improve, the industry's focus is shifting from "how many transactions can be processed" to "when transactions get confirmed." While performance has long been simplified as throughput (TPS), for financial systems, the crucial aspect is the predictability of transactions, i.e., once a transaction is submitted, whether it can be promptly and reliably included in a block.

This article points out that most blockchains currently only provide the guarantee of eventual on-chain settlement, but the timing is uncontrollable. This sub-second uncertainty may be acceptable in payment scenarios, but in financial transactions requiring millisecond-level response times, it directly leads to price deterioration, arbitrage opportunities, and fairness issues, weakening the competitiveness of on-chain markets.

Furthermore, this issue stems from the underlying mechanism: under a single leader's block-producing structure, transaction ordering and inclusion rights are highly centralized, leading to risks such as censorship, delays, and information asymmetry.

Based on this, the authors propose two directions: firstly, to provide short-term, predictable transaction inclusion guarantees, and secondly, to introduce information hiding mechanisms before confirmation to reduce frontrunning and adverse selection. In conclusion, for blockchain to truly become financial infrastructure, what is more critical than throughput is the determinism and fairness of transaction execution.

The following is the original text:

Blockchain can now confidently claim that its capacity is sufficient to compete with existing financial infrastructure. The current production systems can already process tens of thousands of transactions per second, and further orders of magnitude increases are expected in the foreseeable future.

However, compared to mere throughput capacity, financial applications require predictability. Whether it is matching trades, participating in auctions, or exercising options, when a transaction is sent, the system must reliably guarantee when that transaction will be confirmed on-chain, which is crucial for the normal operation of the financial system. Once transaction confirmations face uncertain delays (whether from adversarial behavior or incidental factors), many applications will lose their availability.

Therefore, for on-chain financial applications to be competitive, the underlying blockchain must provide short-term inclusion guarantees: once a valid transaction is submitted to the network, it should be included in a block as quickly as possible.

Take the on-chain order book, for example. An efficient order book relies on market makers continually providing liquidity by maintaining buy and sell orders to keep the market running. The core issue market makers face is to minimize the buy-sell spread while avoiding adverse selection risks due to price deviations from the market.

そのため、流動性提供者は、常に市況の変化を反映するように注文を更新する必要があります。例えば、米連邦準備制度が発表した声明が資産価格の波乱を引き起こすとき、流動性提供者は即座に価格を調整する必要があります。これらの注文を更新するための取引が即座にチェーン上に記録されない場合、アービトラージャーによって時代遅れの価格で取引される可能性があり、それによって損失が生じることがあります。その結果、流動性提供者はリスクを低減するためにスプレッドを拡大し、それによりチェーン上取引所の競争力が弱体化します。

取引がブロックに予測可能に埋め込まれるという点が、流動性提供者がチェーン下のイベントに迅速に対応し、チェーン上市場の効率を維持する能力を与えています。

これまでのものと、本当に必要なもの

現時点では、ほとんどのブロックチェーンは、最終的にブロックに書き込まれる強い保証しか提供していません。このプロセスは通常、数秒の時間尺度で行われます。支払いアプリケーションにはこれで十分ですが、リアルタイムで情報に迅速に対応する多数の参加者が必要な金融アプリケーションにとっては、この保証は依然として弱すぎます。

上記の注文簿の例を引き続き使用すると、もし流動性提供者が「数秒以内にブロックに書き込まれる」としか保証を得られない場合、アービトラージャーの取引がより早いブロックに入る可能性があると、この保証は実質的には無意味です。包含性の保証が不十分な状況では、流動性提供者は価格差を広げることしか選択肢リスクをヘッジする方法がなく、結果としてユーザーはより悪い取引価格を受け取ります。これにより、強固な実行の確実性を提供するプラットフォームよりも、チェーン上取引の魅力が明らかに低下します。

ブロックチェーンが現代の資本市場インフラとしてのビジョンを本当に実現するためには、開発者はこれらの問題を解決し、注文簿などの高付加価値金融アプリケーションがチェーン上で本当に成長し、競争力を持つようにする必要があります。

なぜ「予測可能性」を実現することが非常に困難なのか？

既存のブロックチェーン上で取引の包含性を強化し、上述のようなアプリケーションシナリオをサポートすることは、非常に困難な課題です。いくつかのプロトコルは現在、単一ノード（つまり「リーダー」）がいつでもブロックに含める取引を決定するように依存しています。このメカニズムは、高性能なブロックチェーンの構築を技術的にはシンプルにする一方で、潜在的な経済的ボトルネックを導入しています：これらのリーダーはその中から価値を抽出することができます。通常、あるノードがリーダーに選ばれた時間枠では、そのノードはブロックに含める取引を完全に制御しています。

金融活動をサポートするいかなるブロックチェーンにとっても、リーダーは特権的な立場にあります。単一のリーダーが特定の取引を含めないことを決定した場合、その対処方法は、その取引を含めることを望む別のリーダーを待つしかありません。

許可されていないネットワークでは、リーダーは自然に価値を抽出しようとするインセンティブがあり、これは通常 MEV と呼ばれます。MEV は、AMM 取引に対するフロントランニングだけでなく、取引の包含を数十ミリ秒遅延させるだけでもかなりの利益がもたらされ、同時にアプリケーションの効率が低下します。一部の取引者の注文のみを優先的に処理する注文簿は、他の参加者を不公平な競争状況にさらします。最も極端な場合には、リーダーは強い対立を示し、取引者がプラットフォームから完全に離れる原因となる可能性があります。

このようなシナリオを想像してみてください：利上げが発生すると、ETH の価格が一瞬で5% 下落します。オーダーブック上のすべてのメーカーは迅速に元の注文をキャンセルし、新しい価格で再度注文します。同時に、アービトラージャーは古い価格でまだ更新されていない注文を消化するために売り注文を出します。もしオーダーブックが単一のリーダー主導のプロトコルで動作している場合、そのリーダーは非常に大きな権力を持ちます。リーダーは直接すべてのメーカーのキャンセル注文を審査し、アービトラージャーに巨額の利益をもたらすように選択できます。または、完全に審査しなくても、キャンセル注文のオンチェーン時間を遅らせ、アービトラージャーの取引が先にパッケージ化されるのを待つこともできます。さらに、リーダーは自身のアービトラージ取引を挿入することもでき、この価格の不一致を十分に利用することができます。

2つの主要な目標：耐検閲性と情報隠蔽

このような権力構造の下では、メーカーは参加する経済的動機を失います。価格が変動するたびに、彼らはシステム的に「収穫」される可能性があります。問題の本質は、リーダーが2つの側面で過度の特権を持っていることにあります：

1） リーダーは他者の取引を審査できます；

2） リーダーは他者の取引内容を見ることができ、それに基づいて自身の取引行動を調整できます。

これらのいずれか一つでも、壊滅的な結果をもたらす可能性があります。

ケーススタディ

問題をより正確に強調するために、簡単な例を使って説明できます。2人の入札者、Alice と Bob だけがいる入札シナリオを想像してみてください。Bob はまた、そのブロックのリーダーでもあります。 (問題を説明するために2人の入札者だけを想定していますが、実際の状況では任意の数の参加者に適用されます。)

入札は、たとえば t=0 から t=1 の時間ウィンドウ内で行われます。Alice は時刻 tA に入札 bA を提出し、Bob は時刻 tB（tB > tA）に入札 bB を提出します。 Bob はそのブロックのリーダーなので、常に最後の入札であることを保証できます。

同時に、Alice と Bob はどちらも特定資産のリアルタイム価格を継続的に取得できます（たとえば、中央集権取引所からの中間価格）。任意の時刻 t で、その価格を pt とします。 t での価格 pt をもとに、t=1（入札の締め切り）時の市場価格の予想が常に pt と等しいと仮定します。つまり、任意の時点で、両者は最終価格に対する予想が現在観測されている価格と等しいと考えています。入札ルールは非常にシンプルです：より高い入札を出した方が勝利し、自身の入札を支払います。

検閲に対する必要性

まず初めに、Bob がリーダーのアドバンテージをどのように利用するかを考えてみましょう。 Bob が Alice の入札を検閲できる場合、入札メカニズムは直ちに無効になります。Bob は、競争がない状況で非常に低い入札を提出するだけで、オークションに勝ち続けることができます。これにより、オークション収入がほぼゼロになります。

情報隠蔽の必要性

より複雑なケースでは：Bob は Alice の入札を確認できませんが、自分の入札を出す前に Alice の入札を見ることができます。この場合、Bob の戦略は非常にシンプルです：自分が入札するとき、単に ptB が bA よりも大きいかどうかを判断します。そうであれば、bA よりもわずかに高い価格を提示します。そうでなければ、入札に参加しません。

この戦略により、Bob はAlice に不利な選択肢を与えます。市場価格が変動し、Alice の入札が資産の予想価値を上回る場合にのみ、オークションに勝利します。しかし、この場合、実際には損失を被っているため、合理的な選択肢はオークションに参加しないことです。ほかの入札者が退出すると、Bob は再び非常に低い価格でオークションに勝利することができ、オークション収入がほぼゼロに近づきます。

重要な結論

この例の重要な結論は：オークションの持続時間は重要ではないということです。Bob がAlice の入札を確認できるか、または自分の入札を出す前に Alice の入札を見ることができる場合、オークションメカニズムは必然的に失敗します。

同じ原則はあらゆるハイフリークエンシートレーディングシナリオに適用されます — スポット取引であれば、永続契約であれ、デリバティブ取引であれ。上記の権限を持つリーダーが存在する場合、そのリーダーは市場構造全体を崩壊させる能力を持ちます。したがって、オンチェーン製品がこれらのシナリオで実珟的であることを望む場合、リーダーにそのような権限を与えないようにする必要があります。

これらの問題は現実世界でどのように発生していますか？

上記の分析はかなり悲観的な情景を描写しています：許可されていない、単一リーダーのプロトコルでのオンチェーン取引は、構造上の問題に直面するでしょう。しかし、現実は、多くのこの種のプロトコル上の分散型取引所（DEX）の取引量がまだ活発であるというものです。その背後には何があるのでしょうか？

実践において、上記の問題をある程度緩和している2つの力が存在します：第一に、リーダーは経済的権力を十分に活用していないため、彼らは通常、基礎となるチェーンの長期的成功に深く関与しています。第二に、アプリケーション層はさまざまな「回避策」を通じて、これらの問題に対する感受性を低下させています。

これら2つの点が現在の分散型ファイナンス（DeFi）の運用をある程度維持していますが、長期的には、オンチェーン市場をオフチェーン市場と競争させる力を持たせるには不十分です。

現実の経済活動を持つオンチェーンのリーダーになるには、通常、大規模なステークを保有する必要があります。そのため、そのノードが大量のトークンを保有しているか、その評判が十分に強力であり、他の保有者がそのノードにステークを委任したいと思うかのいずれかです。どちらの場合も、大規模ノードオペレーターは通常、名前のある実在し、評判が高い実体であり、その行動は評価リスクに直面します。さらに、これらのステーク自体が彼らがチェーンの長期的発展を促進する動機を持っていることを意味します。したがって、現在、リーダーがそのような市場力を乱用するようになっているのを広く見ることはありませんが、問題が存在しないというわけではありません。

まず、単にノードオペレーターの「善意」、社会的圧力、そして長期的利益の考慮にのみ頼ることは将来の金融システムの安定した基盤とはなりません。オンチェーン金融活動の規模が拡大するにつれ、リーダーが引き出せる潜在的な収益も増加します。潜在的な収益が大きいほど、社会的制約に依存して行動を制限し、短期的利益を追求しないようにすることがより困難になります。

次に、リーダーが自らの市場力を利用する程度は連続的なスペクトルであり、ほとんど害のないものから市場を完全に破綻させる程度まで様々です。ノードオペレーターは段階的に「許容可能な行動」の境界を越えてより高い収益を得ることができます。一部のノードがこの領域を探るのを始めると、他のノードも迅速に追随します。個々のノードの行動は影響が限定されているように見えますが、全体の行動が変化するとその影響は著しいものです。

典型的な例はいわゆる「タイミングゲーム」です：リーダーはブロックの公開をできるだけ遅らせながらもブロックの有効性を保証し、より高い報酬を得ます。このような行動はブロックの時間を延ばすことがあり、過剰に攻撃的な場合はブロックがスキップされることさえあります。これらの戦略の利益性は以前から知られていましたが、過去にはノードオペレーターが通常「ネットワークの健全性を維持する」ためにこれらを採用しないことを選択していました。しかしながら、これは脆弱な社会的均衡です。あるノードがこれらの戦略を採用し、より高い報酬を得つつ罰せられない場合、他のノードは迅速に見習います。「タイミングゲーム」はその一例に過ぎず、リーダーには未完全な権力の乱用を通じて自らの収益を増やす多くの方法がありますが、これらの収益はしばしばアプリケーション層の犠牲を伴います。これらの行動は個別に見れば耐えられるかもしれませんが、そのスケールが一定の水準に達すると、オンチェーンの運用コストが収益を上回ります。

DeFi を維持する別の重要な要素は、アプリケーション層が重要なロジックをオフチェーンに移し、結果のみをチェーンに記録することです。たとえば、迅速なオークションの実行が必要なプロトコルは、通常、オフチェーンでオークションプロセスを完了します。このようなアプリケーションは、対立リーダーのリスクを回避するために、許可されたノードグループに依存して重要なメカニズムを実行します。たとえば、Uniswap の UniswapX は、イーサリアムメインネット上でオークションをオフチェーンで実行して取引をマッチングします。同様に、CowSwap もオフチェーンでバッチオークションを実行します。これらの手法はアプリケーション層では効果的ですが、基盤となるレイヤーの価値提案を脆弱にします。アプリの実行ロジックがすべてオフチェーンに移動されると、基盤となるブロックチェーンは単なる決済レイヤーとなります。そして、DeFi の最も重要なセールスポイントの一つである「組み合わせ可能性」も弱められます。すべての実行がオフチェーンで行われる世界では、さまざまなアプリは自然と孤立した環境にあります。さらに、オフチェーンの実行に依存することで新たな信頼前提が導入されます：基盤となるブロックチェーンが稼働し続けるだけでなく、オフチェーンインフラも同様に安定して利用可能である必要があります。

「予測可能性」を実現する方法

上記の問題を解決するために、プロトコルは2つの主要な属性を満たす必要があります：一貫したトランザクションの含有と順序付けルール、およびトランザクションが確認される前のプライバシー（厳密な定義については関連論文を参照）。

目標1：検閲耐性（Censorship Resistance）

私たちは最初の属性を「短期検閲耐性」として要約します。これは次のように定義されます：1つの正直なノードがトランザクションを受信すれば、そのトランザクションが次に生成可能なブロックに含まれることを保証しなければなりません。

より具体的には、プロトコルが固定クロックで実行されると仮定でき、例えば100ミリ秒ごとにブロックが生成されます。したがって、あるトランザクションが t=250ミリ秒である時点である正直なノードによって受信された場合、そのトランザクションは t=300ミリ秒で生成されるブロックに含まれなければなりません。攻撃者は、一部のトランザクションを選択的に含め、他のトランザクションを除外する自由裁量権を持つべきではありません。この定義の核心精神は、ユーザーとアプリケーションがいつでもトランザクションを信頼性の高い方法でチェーンに提出できるようにすることです。あるノードがパケットを破棄したこと（悪意的であるか偶発的であるかにかかわらず）によってトランザクションがチェーンに含まれないという状況を許してはなりません。

この定義は「任意の正直なノード」がトランザクションが含まれることを保証できることを要求していますが、実際にはこれを達成するコストが高すぎるかもしれません。さらに重要なのは、プロトコルがトランザクションのチェーンへの経路を予測可能な方法で提供できるように、プロトコルが十分に堅牢である必要があるということです。許可されていない単一のリーダー型プロトコルはこの点を満たすことができません。なぜならば、現在のリーダーがビザンチン障害を起こした場合、トランザクションはチェーンに含まれなくなります。ただし、ごく少数のノード（例えば4つのノード）が各スロットのトランザクションの含有を保証する場合でも、ユーザーやアプリケーションのチェーンへのアクセス空間は著しく向上します。アプリケーションを真に繁栄させるには、適切なパフォーマンス上のトレードオフを行うことが価値があります。現在、信頼性とパフォーマンスの間の最適なバランスについてさらなる探求が必要ですが、現行のプロトコルで提供される保護措置は明らかに不十分です。

プロトコルがトランザクションの含有を保証できるようになれば、ソーティングの問題はある程度解決されます。プロトコルは、一貫性を保証するために任意の決定論的なソーティング規則を採用することができます。例えば、手数料の優先順位に従ったソーティング、またはアプリケーションが関連するステートのトランザクションをカスタムソーティングすることができます。最適なソーティング方法は依然として活発な研究問題ですが、常に前提条件として、トランザクションは最初に正常に含まれる必要があります。

目標2：隠蔽性（Hiding）

短期検閲耐性を実現した後、次に重要な属性は「隠蔽性」です。つまり、トランザクションが最終的に確認されるまで、他の参加者がそのトランザクションの情報にアクセスできないプライバシー保護メカニズムです。

これは、トランザクションを受信したノード以外のどの参加者も、そのトランザクションの情報を取得できないことを意味します。

具有隐藏性的协议允许节点在共识完成之前看到明文交易内容，但在此期间，其他网络节点无法看到交易内容。可通过不可解密的时间锁加密或在区块确认后进行门限解密等方式实现。例如，区块在不可解密的状态下直到特定时间点；或者在委员会确认后进行统一解密。

这意味着，即使接收方节点可能滥用交易信息，其他节点在共识期间并不知道交易内容。一旦交易信息公开，顺序确定且不可更改，因此无法被打乱。为实现这一点，协议需要支持多个节点在同一时间段接收并记录交易。

我们没有选择更强的隐私模型（如完全加密内存池，仅用户可见），因为协议需要能够过滤垃圾交易。如果整个网络都看不到交易内容，则无法区分有效交易和垃圾交易。唯一的替代方案是泄露某些元数据（如支付手续费地址），但攻击者也可能利用这些信息。因此，更现实的设计是：允许单个节点完整查看交易内容，但其他节点在确认之前无法获得任何信息。这也意味着，为实现此功能，用户每个时隙至少需要一个诚实节点作为交易入口。

一种同时具有「短期抗审查性」和「隐藏性」的协议将为构建金融应用提供理想基础。回到前面提到的拍卖示例，这两个属性正好消除了 Bob 破坏市场的两种能力：他无法审查 Alice 的出价，也无法在出价前获取她的信息，从根本上解决了问题。

在具有短期抗审查性的情况下，任何提交的交易（包括撮合、出价和清算）都可以立即包含。做市商可以实时调整订单，竞标者可以快速出价，清算可以高效进行。用户可以确信，其任何操作都将立即执行。这将使下一代低延迟的现实金融应用能够完全在链上运行。

要使区块链真正竞争甚至超越现有金融基础设施，仅仅提高吞吐量是不够的。

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