[논문 리뷰] A Blockchain-based Electronic Voting System: EtherVote

Achilleas Spanos, Ioanna Kantzavelou|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 20.

Internet Traffic Analysis and Secure E-votingComputer Science인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 블록체인 기반 전자 투표 시스템인 EtherVote를 제안한다. 이는 이더리움 블록체인을 기반으로 스마트 계약을 사용하여 투표의 불변성, 기밀성, 검증 가능성을 보장한다. 이 시스템은 메타마스크 지갑을 통한 분산형 투표자 신원 확인과 암호화된 개인 정보를 제공하며, SMS를 통한 OTP 기반 인증을 통해 중복 투표를 방지한다. 이는 국가 선거에 적합한 확장성 있고 투명하며 위조에 강한 솔루션을 제공한다.

ABSTRACT

The development of an electronic voting system that would replace traditional election procedures is a research topic of great interest for many years. Blockchain technology could provide some guarantees and fulfill strong requirements for electronic voting platforms, such as transparency, immutability, and confidentiality. From time to time research is conducted to address problems in voting systems. Many research works attempt to implement secure and reliable voting systems, which address known security, anonymity, and fraud issues that might threaten such systems. This paper presents a proposal of a secure electronic voting system, the EtherVote, using the Ethereum Blockchain network that focuses deeply on the field of identification of eligible citizens. The proposed system will be entirely based on Blockchain without any central authority servers or databases, thus improving security, privacy, and election cost. Limitations, problems, and solutions are discussed, in order to make the proposed electronic voting system ideal and ready to use for national elections.

연구 동기 및 목표

• 중앙 기관이나 데이터베이스에 의존하지 않는 분산형 전자 투표 시스템을 설계하는 것.
• 이더리움 블록체인과 스마트 계약을 사용하여 투표자 익명성, 투표 무결성, 불변성을 확보하는 것.
• 개인 정보를 평문으로 저장하지 않고도 안전하고 분산된 투표자 신원 확인을 해결하는 데 초점하는 것.
• 메타마스크 로그인과 SMS를 통한 OTP를 조합한 다중 인증 절차를 구현하여 투표의 바인딩성과 재생 공격 방지 기능을 제공하는 것.
• 투표자들이 거래 해시를 사용해 자신의 투표를 검증할 수 있도록 하여 선거 과정의 투명성과 신뢰도를 향상시키는 것.

제안 방법

• 시스템은 중앙 집중형 서버 없이 이더리움 스마트 계약을 사용하여 투표 자격자 목록을 저장하고 투표 로직을 관리한다.
• 자격 있는 투표자는 SHA256 해싱을 사용하여 자신의 메타마스크 주소를 암호화된 개인 정보(식별번호, 이름, 전화번호)와 연결하여 등록한다.
• 투표 당일, 투표자는 메타마스크 비밀번호로 인증하고 개인 정보를 재입력하여 다시 해싱하여 저장된 해시와 일치 여부를 검증한다.
• 이중 인증가 성공하면, 시간 제한이 있는 일회성 비밀번호(OTP)가 생성되어 투표자의 등록된 번호로 SMS로 전송된다.
• 투표는 OTP와 함께 후보자 선택지를 제출함으로써 수행되며, 이는 후보자의 투표 수를 증가시키고 투표자 주소를 잠그는 트랜잭션을 트리거한다. 이는 중복 투표를 방지한다.
• OTP 생성 및 투표 제출과 같은 모든 트랜잭션은 공개된 이더리움 블록체인에 기록되어 감사 가능성이 보장되며, 개인 정보는 암호화되어 비밀 유지된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중앙 기관이나 데이터베이스에 의존하지 않고 완전히 분산된 전자 투표 시스템을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 블록체인 기반 시스템에서 개인 정보의 기밀성과 중복 투표 방지를 보장하면서도 투표자 신원을 어떻게 안전하게 인증할 수 있는가?
• RQ3 개인 정보나 투표 내용을 폭 lộ하지 않으면서도 투표의 불변성과 검증 가능성을 보장할 수 있는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 스마트 계약이 네이티브 API 액세스를 제공하지 않기 때문에, 외부 데이터(예: SMS를 통한 OTP 전송)를 어떻게 안전하게 스마트 계약에 통합할 수 있는가?
• RQ5 암호 해싱과 스마트 계약 로직이 전자 투표에서 개인정보 보호와 감사 가능성의 두 가지 요건을 얼마나 잘 충족할 수 있는가?

주요 결과

• EtherVote 시스템은 이더리움 스마트 계약을 활용하여 중앙 집중형 데이터베이스나 서버 없이도 완전히 분산된 전자 투표 메커니즘을 성공적으로 구현하였다.
• 블록체인에 키-값 쌍으로 저장된 SHA256 해시된 개인 정보를 사용함으로써 민감한 정보는 기밀 유지되면서도 안전한 투표자 신원 확인이 가능하다.
• 메타마스크 로그인과 개인 정보 재확인을 조합한 이중 인증 절차는 무단 투표를 효과적으로 방지하고, 자격 있는 투표자만 투표를 제출할 수 있도록 보장한다.
• SMS를 통한 전송과 시간 제한이 있는 OTP 메커니즘은 재생 공격을 성공적으로 방지하며, 각 투표가 유일한 인증 세션에만 연결됨을 보장한다.
• 성공적인 투표 제출 후 투표자 주소를 잠그는 방식으로 스마트 계약이 상태를 강제 적용함으로써 중복 투표를 방지한다.
• 거래 해시를 통해 공개적으로 투표를 검증할 수 있도록 하여, 투표자가 자신의 투표가 기록되었는지 확인할 수 있지만 내용은 폭 lộ되지 않게 하여 투표 과정의 투명성과 신뢰도를 향상시켰다.