영지식 증명 기반 프라이버시 보장 고성능 토큰 증권 거래 시스템 = Privacy-Preserving and Efficient Security Token Offering Based on Zero Knowledge Proof

국문 초록 (Abstract)

증권형 토큰(Security Token Offering, STO)은 실물자산의 디지털화를 통해 발행·유통의 효율을 높일 수 있으나, 규제 준수성과 고객 자산 보호, 높은 처리량, 그리고 프라이버시 보장을 동시에 요구한다. 특히 거래의 투명성과 자산 건전성을 담보하기 위해서는 부채 증명(Proof of Liabilities, PoL)이 중요하지만, 완전한 공개는 참여자의 프라이버시와 충돌하며, 기존 접근법은 STO 업무 흐름을 반영한 고성능 거래 처리와 동적 PoL을 함께 달성하는 데 한계가 있다.

본 논문은 이러한 요구사항을 하나의 일관된 거래 흐름 안에서 만족하기 위해 zk-SNARK 기반 STO 거래 시스템을 설계·구현하고 성능을 정량적으로 검증하였다. 제안 시스템은 CP-SNARK 기반 배치 증명 구조를 STO 환경으로 확장하여 다수의 거래를 단일 증명으로 일괄 검증할 수 있게 하였으며, 단순 자산 이체를 넘어 청약 과정에서 발생하는 다중 토큰 간 가치 변환을 회로 수준에서 포괄하도록 설계하였다. 또한 거래 배치가 검증되는 시점에 현재 상태가 올바르게 반영되었음을 함께 증명함으로써 거래 처리와 동적 PoL을 통합하고, 별도의 감사 절차 없이 준실시간으로 시스템의 자산 건전성을 증명할 수 있도록 하였다.

특히 512건 요청을 처리하는 배치 설정에서 초당 사용자 거래 처리량 1,725건과 사용자당 검증 비용 약 3만 가스를 달성하여, 오프체인 증명 생성과 온체인 검증이 모두 실용적인 범위 내에서 수행됨을 확인하였다. 결론적으로, 본 연구는 STO가 요구하는 처리량과 감사 가능성, 그리고 프라이버시 요구를 동시에 고려한 zk-SNARK 기반 거래 검증 설계의 실현 가능성을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Security Token Offerings (STOs) can improve the efficiency of issuing and trading realworld assets by digitizing them, yet they must simultaneously satisfy regulatory compliance,
protection of client assets, high throughput, and privacy preservation. Proof of Liabilities (PoL)
is essential for ensuring transaction transparency and solvency, but fully disclosing transactional
information conflicts with participant privacy. Moreover, existing approaches have limitations
in jointly achieving high-performance transaction processing and dynamic PoL while faithfully
reflecting STO-specific operational workflows.
This thesis designs and implements a zk-SNARK-based STO transaction system and
quantitatively evaluates its performance. The proposed system extends a CP-SNARK-based
batch proving architecture to the STO setting, enabling a large number of transactions to be
verified with a single proof. Beyond basic asset transfers, the system supports subscription
workflows by capturing multi-token value conversions at the circuit level. In addition, it
integrates transaction processing with dynamic PoL by proving, at the moment a transaction
batch is verified, that the current state has been updated correctly. This design enables
near-real-time solvency assurance without relying on separate audit procedures.
In particular, under a batch configuration processing 512 requests, our implementation
achieves a throughput of 1,725 user transactions per second and an amortized on-chain
verification cost of approximately 30,000 gas per user, confirming that both off-chain proof
generation and on-chain verification remain within practical bounds. Overall, this work
demonstrates the feasibility of zk-SNARK-based transaction verification that simultaneously
addresses throughput, auditability, and privacy requirements in STO environments.

목차 (Table of Contents)

• 1 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 문제 정의 1
• 1.2 관련 연구 2
• 1.3 본 논문의 기여 3
• 2 배경 지식 4
• 2.1 표기법 4
• 2.2 커밋먼트 스킴 4
• 2.3 전자서명 5
• 2.4 SNARK 5
• 2.5 블록체인과 스마트 컨트랙트 7
• 2.6 동적 부채 증명(Dynamic Proof of Liabilities) 7
• 3 시스템 개요 8
• 3.1 시스템의 범위와 신뢰 모델 8
• 3.1.1 시스템의 범위 8
• 3.1.2 신뢰 모델 8
• 3.2 시스템의 구조 8
• 3.2.1 참여 주체 9
• 3.2.2 자료구조 9
• 3.2.3 데이터 표현 방식 9
• 3.3 시스템의 흐름 10
• 3.4 전체 시스템 구조 11
• 4 제안 시스템의 증명 구조 12
• 4.1 CP-SNARK 기반 배치 증명 12
• 4.2 트랜잭션 처리와 PoL의 통합 13
• 4.3 STO 적용을 위한 서킷 확장 14
• 5 시스템 동작 및 상세 알고리즘 15
• 5.1 AM 알고리즘 15
• 5.2 SCAM 알고리즘 17
• 5.3 SCOTC 알고리즘 19
• 6 성능 평가 22
• 6.1 실험 환경 22
• 6.2 zk-SNARK 성능 평가 22
• 6.3 Smart Contract 성능 평가 23
• 6.4 비교 실험 24
• 7 결론 26
• 참고 문헌 27
• 영문 요약 30