A Privacy-Preserving CBDC Transaction Framework Integrating UTXO-Based Cryptographic Mechanisms = UTXO 기반 암호 기술을 통합한 개인정보 보호 CBDC 거래 프레임워크

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As central banks worldwide explore the development of Central Bank Digital Currencies (CBDCs), a critical design challenge lies in reconciling user privacy with regulatory oversight [1-2]. Traditional account-based systems inherently expose transaction details, while fully anonymous approaches may conflict with anti-money laundering (AML) and counter-terrorism financing (CTF) requirements. To address this challenge, we propose a privacy-preserving CBDC transaction framework that combines a UTXO-based model with Ring Confidential Transactions (RingCT), stealth addresses, and elliptic curve cryptography. The system is implemented on Hyperledger Besu, an enterprise-grade, Ethereum-compatible platform designed for permissioned blockchain environments. We evaluate the proposed framework through intra-bank and inter-bank transaction scenarios, analyzing throughput, latency, and resource utilization. Our results show that while privacy-enhancing mechanisms introduce cryptographic overhead, the system maintains stable performance and acceptable latency. Furthermore, we propose a dual-scenario privacy model that enables selective transparency, allowing authorized entities— such as auditors—to access encrypted transaction metadata without compromising individual privacy. This research demonstrates the practical viability of embedding strong privacy guarantees within CBDC architectures while preserving auditability and operational efficiency. The proposed model provides a scalable and adaptable foundation for future digital currency infrastructures. Keywords: Central Bank Digital Currency (CBDC), Unspent Transaction Output (UTXO), Ring Signature, Stealth Address, Ring Confidential Transaction (RingCT)

국문 초록 (Abstract)

전 세계 중앙은행들이 중앙은행 디지털 화폐(CBDC) 개발을 모색함 에 따라, 사용자 개인정보 보호와 규제 감독 간의 균형을 맞추는 것이 중요한 설계 과제로 떠올랐습니다 [1-2]. 기존의 계좌 기반 시스템은 본 질적으로 거래 정보를 노출하는 반면, 완전 익명화 방식은 자금세탁방지 (AML) 및 테러자금조달방지(CTF) 요건과 충돌할 수 있습니다. 이러한 과제를 해결하기 위해, 본 연구에서는 UTXO 기반 모델과 Ring Confidential Transactions(RingCT), 스텔스 주소, 그리고 타원 곡선 암호화 를 결합한 개인정보 보호 CBDC 거래 프레임워크를 제안합니다. 이 시스 템은 허가형 블록체인 환경을 위해 설계된 엔터프라이즈급 이더리움 호 환 플랫폼인 Hyperledger Besu에 구현됩니다. 본 연구에서는 은행 내 거래 및 은행 간 거래 시나리오를 통해 제안된 프레임워크를 평가하고 처리량, 지연 시간, 그리고 리소스 사용량을 분석했습니다. 분석 결과, 개인정보 보호 강화 메커니즘이 암호화 오버헤드를 유발하지만, 시스템은 안정적 인 성능과 허용 가능한 지연 시간을 유지하는 것으로 나타났습니다. 또 한, 선택적 투명성을 구현하는 이중 시나리오 프라이버시 모델을 도입하 여 감사인과 같은 권한이 있는 주체가 개인의 프라이버시를 침해하지 않 고 암호화된 거래 메타데이터에 접근할 수 있도록 합니다. 본 연구는 감 사 가능성과 운영 효율성을 유지하면서 계좌 기반 CBDC 아키텍처에 강 력한 프라이버시 보장을 실질적으로 구현할 수 있음을 보여줍니다. 또한, 제안된 모델은 향후 디지털 화폐 인프라 구축을 위한 확장 가능하고 적 응 가능한 기반을 제공합니다. 키워드: 중앙은행 디지털 화폐(CBDC), 미사용 트랜잭션 출력(UTXO), 링 서명, 스텔스 주소, 링 기밀 트랜잭션(RingCT)

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER1 Introduction 1
• CHAPTER2 Related Works 4
• 2.1 Privacy Techniques in Cryptocurrencies 4
• 2.2 Privacy in CBDC Prototypes 5
• 2.3 Privacy in Enterprise Blockchains 5
• 2.4 Research Gap and Motivation 6
• 2.5 Transaction Confidentiality Technologies 6
• 2.5.1 Stealth Address 8
• 2.5.2 Ring Signature 10
• 2.5.3 Ring Confidential Transaction 13
• 2.6 Comparative Analysis of Related Technologies and Previous Studies 16
• CHAPTER3 Proposed Architecture and Confidentiality Application Model 18
• 3.1 System Architecture and Flow Diagram 18
• 3.1.1 Privacy system (API Server Layer) 19
• 3.1.2 UTXO Pool. 20
• 3.1.3 Smart Contracts (Privacy Enforcement Layer) 20
• 3.1.4 Blockchain Network (Hyperledger Besu Layer) 22
• 3.2 Application of Privacy-preserving Technologies 23
• 3.3 Conditional Audit and Selective Transparency Mechanism 25
• 3.3.1 Key Structure 25
• 3.3.2 Conditional Disclosure Process 26
• 3.3.3 Cryptographic Guarantees 27
• CHAPTER4 Experimental Environment and Performance Evaluation 28
• 4.1 Experimental Setup and Repetition Conditions 29
• 4.2 Experimental Scenarios (Intra-bank / Inter-bank Transfers) 30
• 4.2.1 Intra-bank Transfer 31
• 4.2.2 Inter-bank Transfer 32
• 4.3 Experimental Results and Analysis 34
• 4.3.1 Functional Analysis of Cryptographic Technologies in the Intra-bank Transfer Scenario 36
• 4.3.2 Functional Analysis of Cryptographic Technologies in the Inter-bank Transfer Scenario 40
• 4.3.3 Performance Without Privacy-Preserving Technologies 42
• 4.3.4 Performance with Homomorphic Encryption Applied 44
• 4.3.5 Performance with zk-SNARK Applied 49
• 4.3.6 Performance with zk-STARK Applied 54
• 4.3.7 Performance with Ring Signature Applied 60
• 4.3.8 Scalability Beyond 40 Concurrent Users 65
• 4.3.9 Analysis and Implications 66
• 4.4 Scalability Analysis and Optimization Strategies 67
• 4.4.1 Optimization Techniques 68
• 4.4.2 Results and Implications 69
• CHAPTER5 Technical Considerations and Policy Consensus 70
• 5.1 Advantages and Limitations of Privacy-Preserving Technologies 70
• 5.2 Comparison with Existing Technologies 72
• 5.3 Mitigation Strategies for Concurrency Scaling 73
• 5.4 Improvement Directions for Practical Adoption 74
• CHAPTER6 Conclusion and Future Work 77
• 6.1 Deployment Phases and Policy Alignment 78
• 6.2 Future Research and Optimization Directions 80
• 6.3 Closing Remarks 81
• REFERENCES 82