[논문 리뷰] Towards a Two-Tier Hierarchical Infrastructure: An Offline Payment System for Central Bank Digital Currencies

Mihai Christodorescu, Wanyun Catherine Gu외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 14.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 공개키 암호화와 신뢰 실행 환경(Technical Execution Environments, TEEs) 기반의 이중 계층 신뢰 인프라를 사용하여 중앙은행 디지털 통화(CBDC)를 위한 오프라인 결제 시스템(OPS)을 제안한다. 이 프로토콜은 인터넷 연결 없이도 안전하고 실시간으로 직접적인 디지털 현금 거래를 가능하게 하며, TEE로 보호된 디지털 서명과 암호학적 검증 프로토콜을 통해 이중 지출을 방지한다. 이로 인해 거의 무한한 처리량과 낮은 지연을 달성한다.

ABSTRACT

Digital payments traditionally rely on online communications with several intermediaries such as banks, payment networks, and payment processors in order to authorize and process payment transactions. While these communication networks are designed to be highly available with continuous uptime, there may be times when an end-user experiences little or no access to network connectivity. The growing interest in digital forms of payments has led central banks around the world to explore the possibility of issuing a new type of central-bank money, known as central bank digital currency (CBDC). To facilitate the secure issuance and transfer of CBDC, we envision a CBDC design under a two-tier hierarchical trust infrastructure, which is implemented using public-key cryptography with the central bank as the root certificate authority for generating digital signatures, and other financial institutions as intermediate certificate authorities. One important design feature for CBDC that can be developed under this hierarchical trust infrastructure is an offline capability to create secure point-to-point offline payments through the use of authorized hardware. An offline capability for CBDC as digital cash can create a resilient payment system for consumers and businesses to transact in any situation. We propose an offline payment system (OPS) protocol for CBDC that allows a user to make digital payments to another user while both users are temporarily offline and unable to connect to payment intermediaries (or even the Internet). OPS can be used to instantly complete a transaction involving any form of digital currency over a point-to-point channel without communicating with any payment intermediary, achieving virtually unbounded throughput and real-time transaction latency.

연구 동기 및 목표

• 지속적인 네트워크 연결이나 신뢰할 수 있는 중개자에 의존하지 않고도 중앙은행 디지털 통화(CBDC)를 위한 안전하고 확장 가능한 오프라인 결제 메커니즘을 설계하는 것.
• 거래 실행 중 중앙 기관이 가용하지 않은 오프라인 환경에서 이중 지출 문제를 해결하기 위해 신뢰 실행 환경(TEEs)을 주요 신뢰 기반으로 활용하는 것.
• 중앙은행을 루트 CA로, 금융 기관을 중간 CA로 삼아 이중 계층 신뢰 계층을 통해 사용자 간 직접적인 포인트투포인트 디지털 현금 이체를 가능하게 하는 것.
• 온라인 중개자 없이도 디지털 서명과 증명서의 암호학적 검증을 통해 거래의 진위성과 무결성을 확보하는 것.
• TEEs를 지원하는 사용자와 비지원 사용자를 위한 별도의 프로토콜—TEEs 사용자는 '수집(collect)'을, 비-TEEs 사용자는 '청구(claim)'를 통해 오프라인 결제를 처리함으로써 재생 공격과 이중 지출을 방지하는 것.

제안 방법

• 시스템은 중앙은행이 루트 인증 기관(CA)으로 기능하고, 규제된 금융 기관이 월렛 제공자에게 디지털 증명서를 발급하는 이중 계층 신뢰 모델을 사용한다.
• 오프라인 결제는 신뢰 실행 환경(TEEs)이 생성한 디지털 서명을 통해 보호되며, 이는 오프라인 거래의 주요 신뢰 기반으로 기능한다.
• 오프라인 지불 프로토콜(OPS)은 두 대의 TEE를 지원하는 장치 간에 요청-응답 교환을 통해 직접적인 피어투피어 이체를 가능하게 하며, 송금자 신원과 지불의 진위성을 암호학적으로 검증한다.
• 지불 검증은 다단계 절차로 수행된다: (1) TEE 증명서 검증, (2) 송금자의 공개 키를 사용한 서명 검증, (3) 재생 공격 방지를 위한 로컬 지불 로그 대비 검증.
• 다른 Claim 프로토콜은 비-TEE 사용자가 오프라인 지불을 안전하게 청구할 수 있도록 중앙 서버(S)에 제출하도록 하며, 이 서버는 지불 로그를 활용해 진위성과 최신성(신선도)을 검증한다.
• 시스템은 상호 배제 원칙을 적용한다: 지불 확인은 TEE 사용자에 의해만 '수집'되거나 비-TEE 사용자에 의해만 '청구'되며, 둘 다 수행될 수 없게 하여 악성 자금 중복 발생을 방지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지속적인 네트워크 연결이나 신뢰할 수 있는 중개자에 의존하지 않고도 CBDC를 위한 안전하고 오프라인으로 작동하는 디지털 현금 시스템을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 중앙 기관이 거래 실행 중 가용하지 않은 오프라인 지불 환경에서 이중 지출을 방지하기 위해 어떤 암호학적 및 신뢰 메커니즘이 사용될 수 있는가?
• RQ3 이중 계층 신뢰 인프라는 CBDC에 어떻게 효과적으로 적용될 수 있으며, 보안과 규제 준수를 유지하면서 신뢰를 확장할 수 있는가?
• RQ4 신뢰 실행 환경(TEEs)은 안전한 오프라인 지불을 어떻게 가능하게 하는가? 그리고 이는 더 넓은 CBDC 생태계에 어떻게 통합될 수 있는가?
• RQ5 시스템은 오프라인 지불이 진위성과 일관성(아이디포텐시)을 갖추도록 어떻게 보장할 수 있는가? 재생 공격과 이중 지출 공격을 방지하기 위해선 어떻게 해야 하는가?

주요 결과

• 제안된 OPS 프로토콜은 네트워크 중개자에 의존하지 않고 로컬에서 처리되기 때문에 거의 무한한 처리량을 갖는 실시간 직접 지불을 가능하게 하며, 오프라인 지불을 실시간으로 처리할 수 있다.
• 이중 지출은 TEE에서 생성된 디지털 서명과 증명서, 서명의 암호학적 검증을 통해 방지되며, 이는 진위성과 무결성을 보장한다.
• 클라이언트와 TEE 모두에 로컬 지불 로그를 유지함으로써 강력한 보안 보장을 확보하였으며, 최신성 검증을 통해 재생 공격을 방지한다.
• '수집(collect)'(TEEs용)와 '청구(claim)'(비-TEEs 사용자용)의 분리로 인해 각 지불 확인은 정확히 한 번만 처리되며, 중복 위험을 제거한다.
• 계층적 신뢰 모델을 통해 중앙은행은 규제된 금융 기관에 신뢰를 위임할 수 있어, CBDC의 확장성 있고 규제 준수 가능한 배포를 가능하게 한다.
• 시스템은 네트워크 장애에 강건하며, 사용자가 오프라인 상태일 때도 거래의 최종성(결정성)을 유지하므로, 비상 상황나 또는 네트워크 연결이 불안정한 환경에 적합하다.