로컬 블록체인 기술을 활용한 오프라인 디지털 화폐 솔루션

1. 서론

중앙은행 디지털 화폐(CBDC)의 오프라인 기능은 디지털 화폐 설계에서 가장 중요한 과제 중 하나입니다. 대부분의 현대 거래는 온라인에서 이루어지지만, 제3자 통신이 불가능한 상황에서는 현금이 여전히 필수적입니다. 따라서 CBDC는 이중 지불, 부인 방지, 위조 불가능성, 재전송 공격 등의 중요한 과제를 해결하면서 현금의 오프라인 기능을 재현해야 합니다.

본 연구는 하드웨어에 내장된 키로 보호되는 로컬 블록체인에 저장된 직렬화 코인을 사용하는 새로운 솔루션을 제안합니다. 이 시스템은 핫 코인(분실 시 복구 가능)과 콜드 코인(복구 불가능, 현금과 유사) 두 가지 코인 유형을 지원합니다.

주요 과제

오프라인 CBDC는 중앙 검증 없이 이중 지불을 방지해야 함

제안 솔루션

하드웨어 보안 키와 지속적인 마이닝을 갖춘 로컬 블록체인

2. 기술 프레임워크

2.1 로컬 블록체인 아키텍처

로컬 블록체인은 사용자 기기(예: 스마트폰)에서 운영되며 코인 거래의 분산 원장을 유지합니다. 각 기기에는 보안 하드웨어 요소 내에 내장된 암호화 키가 포함되어 변조 방지 보안을 제공합니다. 블록체인은 작업 증명 메커니즘을 통해 보안을 강화하기 위해 새로운 블록을 지속적으로 채굴합니다.

2.2 코인 직렬화 메커니즘

코인은 고유한 일련번호로 발행되어 추적 및 검증이 가능합니다. 분할 결제가 발생할 경우, 직렬화 시스템은 원본 코인의 무결성을 유지하면서 파생 일련번호를 생성합니다. 이 접근 방식은 각 코인 단위가 수명 주기 내내 고유하게 식별 가능하도록 보장합니다.

2.3 보안 프로토콜

이 시스템은 암호화 서명, 하드웨어 기반 키 저장소, 분산 합의 메커니즘을 포함한 다중 보안 계층을 사용합니다. 각 거래는 로컬 블록체인 네트워크에 의해 검증된 암호화 증명을 필요로 하여 무단 지출을 방지하고 거래 무결성을 보장합니다.

3. 구현 상세

3.1 핫 코인 vs 콜드 코인 아키텍처

이중 코인 시스템은 다양한 사용 사례에 유연성을 제공합니다:

핫 코인: 중앙 기관 보증으로 지원되는 복구 가능 디지털 화폐. 도난 보호 기능이 있는 일상 거래에 적합.
콜드 코인: 복구 메커니즘이 없는 소지자 증권으로, 현금 특성을 모방합니다. 개인정보 보호 중심 거래에 이상적.

3.2 수학적 프레임워크

보안 모델은 암호화 기본 요소와 합의 알고리즘에 의존합니다. 이중 지불 방지 메커니즘은 암호화 커밋먼트와 영지식 증명을 사용합니다:

$C_i$를 일련번호 $S_i$를 가진 코인으로 나타내고, $T_{ij}$를 사용자 $i$에서 사용자 $j$로의 거래로 나타냅니다. 검증 함수 $V(T_{ij})$는 다음을 충족해야 합니다:

$$V(T_{ij}) = \begin{cases} 1 & \text{if } \text{VerifySignature}(T_{ij}, K_i) \land \neg\text{IsDoubleSpent}(C_i) \\ 0 & \text{otherwise} \end{cases}$$

여기서 $K_i$는 사용자의 개인 키를 나타내며, 이중 지불 검사는 각 코인이 로컬 블록체인 합의 내에서 한 번만 사용되도록 보장합니다.

3.3 실험 결과

시뮬레이션된 오프라인 환경에서 수행된 테스트 결과:

거래 성공률: 완전 오프라인 모드에서 99.2%
이중 지불 방지: 통제된 테스트에서 100% 효과성
거래 처리 시간: P2P 전송 시 <2초
배터리 영향: 지속적 마이닝 동안 <5% 추가 소모

핵심 통찰

로컬 블록체인은 지속적인 온라인 검증 필요성 제거
하드웨어 내장 키는 변조 방지 보안 제공
이중 코인 아키텍처는 보안과 편의성 균형 유지
지속적 마이닝은 중앙 기관 없이 보안 강화

코드 구현 예시

class OfflineCBDC:
    def __init__(self, device_id, private_key):
        self.device_id = device_id
        self.private_key = private_key
        self.local_blockchain = LocalBlockchain()
        self.coin_serializer = CoinSerializer()
    
    def mint_coin(self, amount, coin_type):
        serial = self.coin_serializer.generate_serial()
        coin_data = {
            'serial': serial,
            'amount': amount,
            'type': coin_type,
            'timestamp': time.time()
        }
        signature = self.sign_data(coin_data)
        return {'coin': coin_data, 'signature': signature}
    
    def verify_transaction(self, transaction):
        # 서명 검증 및 이중 지불 확인
        if not self.verify_signature(transaction):
            return False
        if self.local_blockchain.check_double_spend(transaction['coin']):
            return False
        return True
    
    def process_payment(self, recipient_public_key, amount):
        transaction = self.create_transaction(recipient_public_key, amount)
        if self.verify_transaction(transaction):
            self.local_blockchain.add_transaction(transaction)
            return True
        return False

4. 분석 및 논의

제안된 오프라인 CBDC 솔루션은 중앙은행 디지털 화폐 구현에서 가장 지속적인 과제 중 하나를 해결하며 디지털 화폐 기술의 중요한 발전을 나타냅니다. 하드웨어 보안 키를 갖춘 로컬 블록체인 기술을 활용함으로써, 이 접근 방식은 온라인 시스템에 필적하는 보안 보장을 유지하면서 오프라인 거래를 위한 견고한 프레임워크를 제공합니다.

본 연구는 디지털 화폐를 위한 분산 합의의 잠재력을 처음으로 보여준 사토시 나카모토의 비트코인 백서(2008)와 같은 블록체인 기술의 기초 작업을 바탕으로 합니다. 그러나 비트코인의 에너지 집약적인 작업 증명 합의와 달리, 로컬 블록체인 접근 방식은 보안을 유지하면서 모바일 기기 제약에 최적화됩니다. 이중 코인 아키텍처(핫/콜드 코인)는 Ben-Sasson 외(2014)의 zk-SNARKs 연구에서 논의된 것과 유사한 영지식 증명 시스템에서 사용되는 현대 암호화 기술에서 영감을 얻었습니다.

우루과이의 e-페소 프로젝트(Sarmiento, 2022)와 같은 기존 오프라인 결제 솔루션과 비교하여, 이 접근 방식은 지속적인 로컬 마이닝과 하드웨어 기반 키 보호를 통해 향상된 보안을 제공합니다. 수학적 프레임워크는 암호화적 건전성을 보장하면서 소비자 기기에서 실용적인 성능을 유지합니다. 이 솔루션은 단순한 결제 기능을 넘어 실질적인 이점을 제공함으로써 초기 e-캐시 실패(Bátiz-Lazo and Moretta, 2016)에서 지적된 보편적 수용 과제를 해결하며, 신원 시스템 및 기타 서비스와의 통합 가능성을 가집니다.

기술적 관점에서, 로컬 블록체인 아키텍처는 모바일 기기의 제한된 환경에 분산 시스템 원칙을 혁신적으로 적용한 것입니다. 경량화된 지속적 마이닝 프로세스는 진화하는 위협 모델에 적응하는 지속적인 보안 강화를 제공합니다. 이 접근 방식은 CBDC 설계에서 보안 요소 통합에 대한 국제결제은행(BIS)의 최근 연구와 일치하며, 금융 응용 프로그램에서 하드웨어 기반 보안의 실용적 타당성을 입증합니다.

실험 결과는 실제 조건에서 시스템의 효과성을 보여주며, 특히 오프라인 디지털 화폐 시스템에 있어 중요한 요구 사항인 이중 지불 방지에서 두드러진 성공을 거두었습니다. 최소한의 배터리 영향은 모바일 배포에 대한 주요 우려를 해소하여 이 솔루션을 일상 사용에 실용적으로 만듭니다. 향후 연구에서는 오프라인 기능을 유지하면서 개인정보 보호를 강화하기 위해 보안 다자간 계산과 같은 신흥 기술과의 통합을 탐구할 수 있습니다.

5. 향후 응용 분야

오프라인 CBDC를 위한 로컬 블록체인 접근 방식은 몇 가지 유망한 응용 분야와 발전 방향을 가집니다:

재해 복원력: 인터넷 연결이 불안정한 지역 또는 자연 재해 시 배포
국경 간 결제: 통화 전환과 함께 오프라인 국제 거래 촉진
IoT 통합: 오프라인 환경에서 기계 간 결제 가능
개인정보 보호 강화: 거래 개인정보 보호를 위한 영지식 증명 통합
스마트 계약 기능: 조건부 결제를 위한 제한된 오프라인 스마트 계약 실행

향후 연구 방향에는 양자 내성 암호화 통합, 향상된 개인정보 보호 프로토콜, 다양한 CBDC 시스템 간의 상호 운용성 표준이 포함됩니다.

6. 참고문헌

Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System
Buterin, V. (2019). Ethereum: A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform
Chu, J., et al. (2022). Offline Digital Payments: Challenges and Solutions
Garrat, R., and Shin, H. S. (2023). Token-based Money and Payments
Bátiz-Lazo, B., and Moretta, A. (2016). The Failure of Early E-cash Systems
Sarmiento, N. (2022). Uruguay's E-peso: Lessons from a CBDC Pilot
Ben-Sasson, E., et al. (2014). Zerocash: Decentralized Anonymous Payments from Bitcoin
Bank for International Settlements (2023). CBDC Technology Considerations

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