[論文レビュー] A Blockchain-based Self-tallying Voting Scheme in Decentralized IoT

Yannan Li, Willy Susilo+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2019

Cryptography and Data Security参考文献 27被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、分散型IoT環境を想定したブロックチェーンベースの自己集計型投票方式を提案し、公平性、紛争なき性、最大限の ballot 秘密性を確保する。ゼロ知識証明とタイムドコミットメントを統合することで、適応的攻撃および中止攻撃を防止し、中央集権的機関なしに検証可能で分散型の集計が可能となる。実装結果から、モバイルデバイス上でも実用的であることが確認された。

ABSTRACT

The Internet of Things (IoT) is experiencing explosive growth and has gained extensive attention from academia and industry in recent years. Most of the existing IoT infrastructures are centralized, in which the presence of a cloud server is mandatory. However, centralized frameworks suffer from the issues of unscalability and single-point-of-failure. Consequently, decentralized IoT has been proposed by taking advantage of the emerging technology of Blockchain. Voting systems are widely adopted in IoT, such as a leader election in wireless sensor networks. Self-tallying voting systems are alternatives to traditional centralized voting systems in decentralized IoT since the traditional ones are not suitable for such scenarios. Unfortunately, self-tallying voting systems inherently suffer from fairness issues, such as adaptive and abortive issues caused by malicious voters. In this paper, we introduce a framework of self-tallying systems in decentralized IoT based on Blockchain. We propose a concrete construction and prove the proposed system satisfies all the security requirements including fairness, dispute-freeness and maximal ballot secrecy. The implementations on mobile phones demonstrate the practicability of our system.

研究の動機と目的

• 分散型IoT環境における自己集計型投票システムの公平性問題を解決すること。
• リーダー選挙や合意形成などのIoTアプリケーションにおいて、票の集計を中央集権的機関に依存させないこと。
• 分散型でブロックチェーンを活用する枠組みにおいて、公平性、紛争なき性、最大限の ballot 秘密性といったセキュリティ特性を確保すること。
• リソース制限のあるIoTデバイス（スマートフォンなど）でも効率的に動作する実用的なプロトコルを設計すること。

提案手法

• 悪意ある投票者が中止攻撃を仕掛けるのを防ぐために、先行研究のコミットメントメカニズムを改変して使用する。
• 投票者が票を投じる前に結果を知るのを防ぐために、タイムドコミットメントを導入する。
• すべてのプロトコル段階でゼロ知識証明（ZKPoK）を採用し、誠実な行動を強制するとともに、公開検証可能性を確保する。
• 集計プロセスでは、すべての投票者のコミットメントの積を計算することで、誰でも個々の票を漏らさずに最終結果を検証可能にする。
• セキュリティは、決定的ディフィー・ヘルマン（DDH）仮定とゼロ知識証明の妥当性に基づいて証明され、勝利確率は 1/2 + 忽視可能な誤差の範囲内に制限される。
• 制限されたハードウェア上で性能を評価するため、Miraclライブラリを用いてラップトップおよびAndroidデバイス上にプロトコルを実装した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散型IoTアーキテクチャにおける自己集計型投票システムで、どのように公平性を保証できるか？
• RQ2 悪意ある投票者がプロセスを中止するか、結果を事前に知るのを防ぐにはどのようなメカニズムが必要か？
• RQ3 分散型環境において、公開検証可能な集計を可能にしつつ、どのように ballot 秘密性を最大化できるか？
• RQ4 リソース制限のある計算環境において、ブロックチェーンベースの自己集計型方式を効率的に実装できるか？

主な発見

• 本方式では、投票者が票を投じる前に結果を知ることができないよう設計されており、たとえ票の開示を遅らせるとしても、公平性が保証される。
• タイムドコミットメントの活用により、投票者が以前の票を観察して結果を操作する適応的攻撃が効果的に防止される。
• 公開検証可能なゼロ知識証明により、正しいコミットメントおよび票のフォーマットが強制され、紛争が生じない。
• 実装結果から、すべてのアルゴリズム（コミット、投票、回復、集計）の実行時間が、投票者数の増加に比例して線形に増加することが確認され、スケーラビリティが裏付けられた。
• モバイルデバイス上では、3人の投票者に対して投票フェーズが21.03 ms、12人の投票者に対しては49.794 ms で実行され、リソース制限のあるIoTハードウェアでも実現可能であることが示された。
• 集計フェーズは、ゼロ知識証明が不要なため、最も高速であり、3人の投票者に対しては9.52 ms、12人の投票者に対しては21.714 ms で処理可能であった。