[論文レビュー] Design of Distributed Voting Systems

Christian Meter|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2017

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting参考文献 1被引用数 29

ひとこと要約

本学位論文は、ブロックチェーン技術を用いて、セキュアで分散型の電子投票システムを設計し、スマートフォンなどのリソース制限のあるデバイスが投票の検証に参加できる軽量なプルーフ・オブ・ステーク（PoS）メカニズムを提案する。主な貢献は、ビットコインのプルーフ・オブ・ワークの代替として、計算負荷が低く、炭素排出量も少ない仕組みを提供することであり、これにより、ピアツーピア型電子投票システムにおけるアクセス性と持続可能性が向上する。

ABSTRACT

Countries like Estonia, Norway or Australia developed electronic voting systems, which could be used to realize parliamentary elections with the help of personal computers and the Internet. These systems are completely different in their design and their way to solve the same problem. In this thesis, we analyze some of the largest real-world systems, describe their building blocks and their general design to focus on possible problems in these electronic voting systems. Furthermore, we present a template for an e-voting system, which we designed to try to fulfill the preliminaries and requirements of a secure electronic voting system. We use the experiences and the building blocks of existing systems to combine them to another more secure system. Afterwards, we compare our concept with real-world systems to evaluate the fulfillments of the requirements. Conclusively, we discuss the occurring problems when designing a secure system. Peer-to-peer networks provide many advantages, like decentralization, which might be applicable to electronic voting systems. Therefore, we take a look on the distributed database called blockchain and the usage in a peer-to-peer voting system. Our contribution to this topic is a modification of the proof-of-stake, which enables the usage of common devices, like smartphones or tablets, for the blockchain verification and inclusion of new ballots to the chain. This proof does not need much computing power and has a lower carbon footprint than the proof-of-work in the Bitcoin protocol.

研究の動機と目的

• 既存の実世界の電子投票システムを分析し、設計上の欠陥やセキュリティ上の課題を特定すること。
• 実証済みのコンポーネントを活用して、安全で分散型の電子投票システムのテンプレートを設計すること。
• 特にピアツーピア型コンセンサスの観点から、ブロックチェーン技術が電子投票にどのように応用可能かを検討すること。
• スマートフォンなどの一般的なデバイスがブロックチェーンに投票を検証および含めることを可能にする、改変されたプルーフ・オブ・ステークメカニズムを開発すること。
• セキュリティ、分散化、効率性の観点から、実世界のシステムと比較して、提案されたシステムの評価を行うこと。

提案手法

• エストニア、ノルウェー、オーストラリアの大きな規模の実世界の電子投票システムを分析し、コアなアーキテクチャ的コンポーネントを抽出する。
• 安全で検証可能かつ分散型のコンポーネントを統合した概念的電子投票システムのテンプレートを設計する。
• 投票の保存および検証の基盤として、ブロックチェーン技術を分散型レッセターとして採用する。
• 計算要求を低減するようにプルーフ・オブ・ステークコンセンサスメカニズムを改変し、スマートフォンやタブレットなどの低消費電力デバイスでの利用を可能にする。
• 改変されたプルーフ・オブ・ステークが、セキュリティと最終性を維持しつつ、エネルギー消費と炭素排出量を最小限に抑えることを保証する。
• 提案されたシステムを既存の電子投票システムと比較し、セキュリティおよび使いやすさの要件を満たしているかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存の電子投票システムをどのように分析すれば、共通の脆弱性や設計上の制限を特定できるか？
• RQ2 安全で検証可能な電子投票システムを構築するために不可欠なアーキテクチャ的コンポーネントは何か？
• RQ3 ブロックチェーン技術は、電子投票の分散化と信頼性をどのように向上させることができるか？
• RQ4 スマートフォンなどの低リソースデバイスが参加できるように、プルーフ・オブ・ステークメカニズムをどのように改変できるか？
• RQ5 ブロックチェーンを基盤とする電子投票システムにおいて、セキュリティ、分散化、エネルギー効率性の間にはどのようなトレードオフが存在するか？

主な発見

• 提案されたプルーフ・オブ・ステークの変種により、スマートフォンやタブレットなどの一般的な消費者デバイスでも投票の検証が可能となり、コンセンサスプロセスへの参加範囲が顕著に拡大された。
• 改変されたコンセンサスメカニズムは、ビットコインのプルーフ・オブ・ワークよりも著しく計算パワーを要しないため、炭素排出量が低減された。
• システム設計は、実世界の電子投票システムからのコンポーネントを効果的に統合しながらも、分散化と中央集権的障害点への耐性を向上させた。
• 評価結果から、検証可能性、整合性、機微性といった、安全な電子選挙のコアな要件を満たしていることが示された。
• ピアツーピア型ブロックチェーンアーキテクチャは信頼性を高め、中央集権的機関への依存を減らし、透明性とレジリエンスという民主的原則に適合している。