Systematization of Knowledge: The Design Space of Digital Payment Systems with Potential for CBDC

1. 문제 제기 (Problem)

중앙은행 디지털 화폐 (CBDC) 는 민간 기업이 주도하는 디지털 결제의 확산에 대한 대응책으로 부상하고 있으며, 특히 유럽중앙은행 (ECB) 의 디지털 유로 개발이 대표적입니다. 그러나 CBDC 설계에는 다음과 같은 근본적인 기술적 난제들이 존재합니다.

• 상충되는 목표: 결제 시스템은 개인정보 보호 (Privacy), 규제 준수 (Compliance), **성능 (Performance)**이라는 세 가지 상충되는 목표를 동시에 달성해야 합니다.
• 기존 연구의 한계: 기존 연구들은 주로 개별적인 개인정보 보호 기술 (PETs) 을 하향식 (Bottom-up) 으로 조사하는 데 그쳤습니다. 이는 기술적 원소의 조합 가능성과 실제 시스템이 확장될 때의 성능을 종합적으로 이해하는 데 한계가 있습니다.
• 기술적 성숙도 부족: 중앙은행들은 PETs 가 미성숙하거나 확장성이 부족하다고 결론 내리는 경우가 많으며, 오프라인 결제나 양자 컴퓨팅 대응 (Post-quantum security) 과 같은 중요한 영역은 충분히 연구되지 않았습니다.
• 체계적 분석 부재: CBDC 설계에 적합한 완전한 시스템 제안들을 비교 분석하고, 설계 패턴과 트레이드오프를 체계적으로 정리한 연구가 부족했습니다.

2. 방법론 (Methodology)

저자들은 36 개의 디지털 결제 시스템 설계 (CBDC 제안 및 관련 연구 포함) 를 대상으로 상향식 접근이 아닌 하향식 (Top-down) 기술 분석을 수행했습니다.

• 분석 대상: 1982 년 (Chaumian e-cash) 부터 2025 년까지의 36 가지 시스템 제안 (블록체인, 분산 원장, 전자 현금 등).
• 분석 프레임워크: 28 가지 속성을 정의하여 시스템을 비교하는 체계적인 분류 체계를 개발했습니다. 주요 범주는 다음과 같습니다:
  • 시스템 아키텍처: 글로벌 정보의 유형 (양적/부정적 정보), 무결성 보장 방식 (전체 순서/비순서), 정보 가시성, 통신 패턴, 분산 시스템 모델.
  • 가정 및 신뢰: 신뢰할 수 있는 설정 (Trusted Setup), 신뢰할 수 있는 하드웨어, 운영자/발행자에 대한 신뢰 수준, 프라이버시 철회 권한.
  • 개인정보 보호: 신원 프라이버시, 가치 프라이버시, 사용자 연결 불가능성 (Unlinkability), 발신자 익명성.
  • 규제 준수: 비준수 행위 탐지 (사후 제재) 및 예방 (시스템 내 제약).
  • 성능 및 기술적 특징: 구현 여부, 벤치마크 결과, 순차적 결제 제한, 글로벌 정보의 무한 성장 여부, 오프라인 결제 지원, 정확한 금액 결제, 수신자 비참여 여부.
• 패턴 매핑: 분석된 36 가지 설계를 4 가지 주요 설계 패턴으로 그룹화하여 비교했습니다.

3. 주요 기여 (Key Contributions)

1. 체계적 비교 프레임워크 개발: 아키텍처, 프라이버시, 규제 준수, 성능, 사용자 경험 (UX) 등을 포괄하는 28 가지 속성을 기반으로 한 비교 체계를 정립했습니다.
2. 4 가지 설계 패턴 식별: 다양한 결제 시스템 설계를 다음 4 가지 핵심 패턴으로 분류하고 그 특징을 규명했습니다.
   • Global State Update (전체 상태 업데이트): 계좌 기반 모델 (기존 은행 시스템, 이더리움 등).
   • Local State Update (로컬 상태 업데이트): 사용자가 로컬 계정을 관리하고 영지식 증명으로 검증 (Platypus 등).
   • Transfer Digital Coin (디지털 동전 전송): 블라인드 서명을 이용한 전자 현금 방식 (Chaumian e-cash).
   • Burn-and-Create (소각 및 생성): UTXO 기반 모델 (비트코인, 모네로, 제로캐시 등).
3. 트레이드오프 및 연구 격차 규명: 각 패턴이 가진 기술적 장단점과 현재 CBDC 설계에서 해결되지 않은 문제들 (오프라인 결제, 양자 내성 등) 을 명확히 제시했습니다.

4. 분석 결과 (Results)

4.1 설계 패턴별 특징 및 한계

• Global State Update:
  • 장점: 정확한 금액 결제 가능, 수신자 비참여 결제 (Push payment) 용이.
  • 단점: 거래 그래프가 노출되어 사용자 연결 불가능성 및 발신자 익명성 제공 불가, 오프라인 결제 지원 어려움.
• Local State Update:
  • 장점: 영지식 증명을 통해 모든 프라이버시 속성 (신원, 가치, 연결 불가능성) 지원 가능.
  • 단점: 복잡한 암호학 (영지식 증명) 으로 인한 성능 저하, 수신자 참여 필요, 오프라인 결제 구현이 어려움 (PayOff 등 일부 예외 존재).
• Transfer Digital Coin:
  • 장점: 효율적인 암호학, 오프라인 결제 지원 가능, 발신자 익명성 제공.
  • 단점: 수신자 프라이버시 보호 어려움, 정확한 금액 결제 구현의 복잡성, 부정 정보 (Nullifier) 리스트의 무한 성장 문제.
• Burn-and-Create:
  • 장점: 동시 결제 처리 가능 (UTXO 모델), 정확한 금액 결제 및 수신자 비참여 용이.
  • 단점: 오프라인 결제 미지원, 양자 컴퓨터 위협에 취약, 프라이버시와 성능 간의 트레이드오프 존재 (모네로, 제로캐시 등은 프라이버시 강화 시 성능 저하).

4.2 성능 및 확장성

• 오프라인 결제: 현재 분석된 36 개 설계 중 오프라인 결제를 지원하는 설계는 매우 드뭅니다. 특히 CBDC 에 필수적인 '완전한 오프라인' 기능은 구현된 사례가 거의 없습니다.
• 성능 벤치마크: 대부분의 설계는 실제 배포 (Live benchmark) 가 아닌 시뮬레이션 (Synthetic benchmark) 에 의존하고 있습니다. 또한, 프라이버시 보호와 규제 준수를 동시에 만족하는 시스템의 실제 성능 데이터는 부족합니다.
• 글로벌 정보 성장: 부정 정보 (Nullifier) 기반 설계는 리스트가 무한히 커져 검색 효율성과 저장 공간에 부담을 줍니다.

4.3 미해결 과제 (Research Gaps)

• 오프라인 결제: CBDC 의 핵심 기능인 오프라인 결제에 대한 실용적인 설계와 구현이 부족합니다.
• 양자 내성 (Post-quantum Security): 분석된 설계 중 3 개만 양자 내성을 명시적으로 언급했으며, 실제 적용 가능한 양자 내성 결제 시스템은 연구가 미흡합니다.
• 표준화된 벤치마크: 실제 소매 결제 (Retail) 환경을 반영한 표준화된 트랜잭션 데이터셋이 없어 설계 간 공정한 성능 비교가 어렵습니다.

5. 의의 및 결론 (Significance)

이 논문은 CBDC 설계에 대한 **최고 수준의 기술적 체계화 (Systematization of Knowledge)**를 제공한다는 점에서 의의가 큽니다.

• 정책 결정 지원: 중앙은행이 CBDC 를 설계할 때, 특정 정책 목표 (예: 완전한 익명성 vs 강력한 규제 준수) 에 따라 어떤 설계 패턴이 적합한지 기술적 근거를 제공합니다.
• 단일 완벽한 설계의 부재: 어떤 하나의 설계가 모든 요구사항 (프라이버시, 성능, 규제, 오프라인 등) 을 완벽하게 충족하지는 않습니다. 따라서 CBDC 는 단일 시스템이 아니라, 오프라인용 백엔드와 온라인용 백엔드를 결합한 하이브리드 접근이 필요할 수 있음을 시사합니다.
• 미래 연구 방향: 향후 연구는 오프라인 결제의 실용화, 양자 내성 암호학의 통합, 그리고 실제 환경에 가까운 성능 벤치마크 표준화 등에 집중되어야 합니다.

결론적으로, 이 연구는 CBDC 가 단순한 기술적 구현을 넘어 사회적, 경제적 목표를 달성하기 위해 어떻게 설계되어야 하는지에 대한 포괄적인 기술적 로드맵을 제시합니다.