기술 요약: 자금 출처 증명 (Proof of Source of Funds, PoSoF)

1. 문제 정의

본 논문은 탈중앙화 금융(DeFi)에서 금융 프라이버시와 규제 준수 사이의 근본적인 긴장 관계를 다룹로다. 현재의 컴플라이언스 방법론은 다음과 같은 두 가지 결함이 있는 접근 방식에 의존하고 있습니다:

1. 취약한 이진 목록(Binary Lists): 화이트리스트(allowlist)나 블랙리스트(blocklist)와 같은 포함/제외 목록에 의존하며, 이는 플래그가 지정되지 않은 새로운 주소로 자금을 전송함으로써 쉽게 회피될 수 있습니다.
2. 사후적 그래프 분석(Retroactive Graph Analysis): 중앙집중형 블록체인 인텔리전스 기업이 지속적으로 트랜잭션 이력을 추적하는 것에 의존합니다. 이 방식은 계산 비용이 많이 들고, 높은 오탐률(false-positive rates)을 보이며, 불법 자금이 프로토콜에 유입되는 것을 사전에 방지하지 못합니다.

또한, 기존의 프라이버시 보존 솔루션(예: Tornado Cash)은 정당한 프라이버시와 자금 세탁을 구분할 수 없다는 이유로 제재를 받았습니다. 반대로, 사후적인 "오염(taint)" 추적을 통해 컴플라이언스를 통합하려는 시도는 정직한 사용자의 자산을 동결시키기 위해 악의적 행위자가 의도적으로 불법 자금을 정직한 자금과 섞는 "오염 공격(tainting attacks)"에 정직한 사용자를 취약하게 만듭니다. 본 논문은 현재의 플랫폼 측 감시 모델이 사용자의 프라이버시를 박탈하고 탈중앙화 프로토콜에 과도한 부담을 지운다고 주장합니다.

2. 방법론

저자들은 플랫폼 측의 감시에서 **사용자 측의 기원(provenance)**으로 패러다임을 전환하는 **자금 출처 증명(Proof of Source of Funds, PoSoF)**을 제안합니다. 플랫폼이 자금을 추적하는 대신, 사용자는 자신의 예치금이 오직 규정을 준수하는 소스들로부터만 유래되었음을 입증하는 영지식 증명(ZKP)을 로컬에서 생성합니다.

2.1 통합 시간적 DAG 추상화 (Unified Temporal DAG Abstraction)

Bitcoin과 같은 UTXO 기반 구조와 Ethereum과 같은 계정 기반 구조의 이질적인 블록체인 구조를 처리하기 위해, 저자들은 통합된 시간적 유향 비순환 그래프(Temporal Directed Acyclic Graph, DAG) 추상화를 공식화합니다:

• 노드(Nodes): $(a, h)$라는 시간적 쌍으로 정의됩니다. 여기서 $a$는 주소이고 $h$는 결정론적 시퀀스 좌표(블록 높이, 인덱스)입니다. 이를 통해 특정 시점에서의 신원 스냅샷을 생성합니다.
• 에지(Edges): 노드 간의 가치 전송을 나타내며, 분수 용량(fractional capacity) $v_e \le v(tx)$가 할당됩니다.
• 모델: 이 추상화는 레저 이력을 일반화된 가치 흐름 모델로 통합하여, 규정 준수 용량을 유한하고 비인플레이션적인 자원으로 취급합니다.

2.2 암호학적 프레임워크

시스템은 상수 시간 검증을 달성하기 위해 폴딩 스킴(folding schemes, 예: Nova)을 통한 **증분 검증 가능 계산(Incrementally Verifiable Computation, IVC)**을 활용합니다. 사용자는 글로벌 레저($G$)로부터 규정을 준수하는 하위 DAG($G'$)를 추출하고, 중간 토폴로지나 구체적인 기원을 드러내지 않으면서 엄격한 상태 전이 서술(state-transition predicates)의 충족을 증명합니다.

영지식 회로에 의해 강제되는 핵심 **서술(predicates)**은 다음과 같습니다:

1. 온체인 무결성 및 구별성(On-Chain Integrity & Distinctness): 모든 에지는 최종 확정된 온체인 트랜잭션에 매핑되는 유효한 포함 증명(Merkle proof)을 가져야 합니다. 단일 규정 준수 트랜잭션을 여러 브랜치에서 재사용하는 것을 방지하기 위해 트랜잭션은 반드시 구별되어야 합니다.
2. 소스 앵커링(Source Anchoring): 하위 DAG의 모든 소스 노드는 사전 정의된 규정 준수 집합 $C$(예: KYC를 준수하는 거래소)의 멤버여야 하며, 이는 양의 포함 증명(예: Merkle tree)을 통해 검증됩니다.
3. 에지 연결(Edge Linkage): 들어오는 에지의 수신자는 나가는 에지의 송신자와 암호학적으로 일치해야 하며, 이를 통해 토폴로지 위조를 방지합니다.
4. 시간적 순서(Temporal Ordering): 미래의 규정 준수 유입이 과거의 비규정 준수 전송을 정당화하는 타임 트래블 익스플로잇을 방지하기 위해 엄격한 비순환성($h_{in} < h_{out}$)이 강제됩니다.
5. 흐름 건전성(Flow Solvency): 모든 중간 노드에 대해, 나가는 분수 용량의 합은 들어오는 용량의 합보다 작거나 같아야 합니다 ($\sum v_{out} \le \sum v_{in}$).
6. 최종 실행 바인딩(Terminal Execution Binding): 증명은 특정 대상 트랜잭션 페이로드($txtarget$)에 바인딩되어야 하며, 이를 통해 증명이 변조 불가능하고 의도된 예치에 대해서만 유효하도록 보장합니다.

2.3 아키텍처

• 증명자(Prover): 사용자는 로컬에서 규정을 준수하는 하위 DAG를 구성하고 IVC 회로를 실행합니다. 사용자는 비규정 준수 에지(예: 사용자에게 전달된 불법 더스트)를 제외하고 "깨끗한" 경로를 추출합니다.
• 검증자(Verifier): 스마트 컨트랙트는 간결한 증명의 상수 시간 $O(1)$ 검증을 수행합니다. 검증자는 동적인 블록리스트와 동기화하거나 트랜잭션 그래프를 분석할 필요가 없습니다.

3. 주요 기여

본 논문은 세 가지 주요 기여를 합니다:

1. 증명자 측 기원(Prover-Side Provenance)의 공식화: 플랫폼 측 감시에서 사용자 측의 기원으로 컴플라이언스 부담을 전환하는 PoSoF을 도입했습니다. 이는 엄격한 보안 정의 하에 계정 기반 및 UTXO 레저를 모두 포착하는 통합된 시간적 DAG 추상화를 확립합니다.
2. 효율적인 프로토콜 인스턴스화: 상수 크기의 $O(1)$ 온체인 검증을 달성하기 위해 IVC를 사용하는 PoSoF 프로토콜을 구축했습니다. 이 시스템은 깨끗한 이력의 이중 지불을 방지하기 위한 공개 널리파이어(public nullifiers) 및 프라이빗 체인지 커밋먼트(private change commitments)와 같은 견고한 애플리케이션 계층 방어 기제를 포함합니다.
3. 구현 및 경험적 평가: 소비자용 하드웨어에서도 선제적 컴플라이언스가 실용적임을 보여주는 작동 가능한 이더리움 호환 프로토타입을 구현했습니다.

4. 결과 및 성능

저자들은 Groth16 증명 시스템(단일 선형 경로 조각용)과 Nova(IVC용)를 사용하여 이더리움 호환 프로토타입을 평가했습니다.

• 단일 구조 프로토타입 (Groth16):

  • 증명 생성: Apple Silicon 노트북에서 8개의 홉(hop)을 가진 경로에 대한 증명을 생성하는 데 약 37초가 소요되었습니다.
  • 검증: 온체인 검증 비용은 페어링 체크(pairing checks)에 의해 지배되며, 약 797,916 gas(약 1.5 ms)였습니다.
  • 제약 조건: 통합 증명 회로는 약 2,570만 개의 R1CS 제약 조건을 필요로 했습니다.

• IVC 구현 (Nova):

  • 증분 업데이트: 활성 지갑의 경우, 새로운 트랜잭션과 함께 증명을 업데이트하는 데 약 1.8초가 소요됩니다.
  • 검증: 최종 온체인 검증은 규정 준수 하위 DAG의 크기나 깊이에 관계없이 상수 시간인 ~1.5 ms(약 800k gas)를 유지합니다.
  • 확장성: IVC를 통해 처음부터 체인을 생성하는 데는 누적 오버헤드가 발생하지만, 새로운 트랜잭션을 추가하는 한계 비용은 일정하며 단일 구조 방식에서 요구되는 전체 이력을 다시 증명하는 것보다 현저히 낮습니다.

5. 의의 및 주장

본 논문은 PoSo한데서 선제적인 온체인 컴플라이언스 레이어를 가능하게 함으로써 "프라이버시와 컴플라이언스 사이의 근본적인 긴장"을 해결한다고 주장합니다.

• 오염에 대한 면역력: 자금을 규정 준수 기원으로 수학적으로 추적하고 사용자가 자신의 위트니스(witness)에서 비규정 준수 에지를 제외할 수 있게 함으로써, 시스템은 수동적인 "오염"에 무관합니다. 불법 자금을 받은 정직한 사용자는 자신의 기원 DAG에서 해당 트랜잭션을 단순히 제외할 수 있습니다.
• 정적 vs 동적 제약: 동적인 블록리스트가 아닌 정적인 규정 준수 기원(예: 규제 기관)에 자격을 고정함으로써, PoSoF는 검증자가 빠르게 변하는 리스트와 동기화할 필요성을 제거합니다.
• 프라이버시 보존: 중간 트랜잭션 토폴로지, 중간 주소 또는 구체적인 기원을 유출하지 않고도 자금의 정당성을 보장합니다.
• 실용성: 벤치마크는 온체인에서는 상수 시간 검증만을 요구하고 오프라인에서는 업데이트를 위한 관리 가능한 계산 시간만을 요구하는, 완전히 프라이빗하고 선제적인 컴플라이언스가 매우 실용적임을 입증합니다.

저자들은 PoSoF를 모든 컴플라이언스 메커니즘의 대체재가 아니라, 탈중앙화된 프라이버시 풀 및 거래소를 위한 포괄적이고 엔드 투 엔드(end-to-end) 컴플라이언스 시스템을 만들기 위해 Derecho와 같은 사후 예치 감사와 결합될 수 있는 기초적인 레이어로 포지셔닝합니다.