[논문 리뷰] A Blockchain-based Self-tallying Voting Scheme in Decentralized IoT

Yannan Li, Willy Susilo외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 11.

Cryptography and Data Security참고 문헌 27인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 블록체인 기반의 자가 집계 투표 기법을 제안하여 탈중앙화된 IoT 환경에서 공정성, 분쟁 없음, 최대한의 투표 비밀 보장이 가능하도록 한다. 영지식 증명의 지식과 시간 제한 기반의 암호화 기법을 통합함으로써 적응형 공격 및 중단 공격을 방지하며, 중앙 기관 없이도 검증 가능하고 탈중앙화된 집계가 가능하다. 구현 결과는 이 기법이 모바일 장치에서도 실용적임을 확인한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 탈중앙화된 IoT 환경에서 자가 집계 투표 시스템의 공정성 문제를 해결하기 위해.
• 리더 선거 및 합의 의사결정과 같은 IoT 응용 분야에서 투표 집계를 위한 중앙 기관 의존도를 제거하기 위해.
• 탈중앙화된 블록체인 기반 환경에서 공정성, 분쟁 없음, 최대한의 투표 비밀 보장 등의 보안 특성을 확보하기 위해.
• 자원이 제한된 IoT 기기(예: 스마트폰)에서도 효율적으로 작동하는 실용적인 프로토콜을 설계하기 위해.

제안 방법

• 악성 투표자가 중단 공격을 방지하기 위해 이전 연구에서 제안한 수정된 암호화 기반 기법을 사용한다.
• 시간 제한 기반 암호화를 도입하여, 투표자가 투표 이전에 결과를 미리 알 수 있는 적응형 공격을 방지한다.
• 모든 프로토콜 단계에서 영지식 증명의 지식(ZKPoK)을 활용하여 정직한 행동을 강제하고 공개 검증 가능성을 확보한다.
• 집계 과정에서 모든 투표자의 암호화된 결과의 곱을 계산함으로써, 누구나 개인 투표 내용을 드러내지 않고도 최종 결과를 검증할 수 있다.
• 보안성은 결정적 딜레인 헬만(DDH) 가정과 영지식 증명의 타당성에 기반하며, 승리 확률은 1/2 + 무시할 수 있는 오차 이내로 제한된다.
• 제한된 하드웨어 성능을 평가하기 위해 Miracl 라이브러리를 사용하여 랩탑과 안드로이드 기기에서 프로토콜를 구현하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탈중앙화된 IoT 아키텍처 내 자가 집계 투표 시스템에서 공정성이 어떻게 보장될 수 있는가?
• RQ2 악성 투표자가 과정을 중단하거나 결과를 조기로 알 수 있는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 탈중앙화된 환경에서 공개 검증이 가능하면서도 투표 비밀을 최대한으로 보장할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ4 자원이 제한된 컴퓨팅 리소스를 가진 모바일 기기에서도 블록체인 기반 자가 집계 기법을 효율적으로 구현할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 기법은 투표자가 투표하기 전 결과를 알 수 없도록 하여 공정성을 확보한다. 이는 투표자가 투표를 지연시켜도 마찬가지로 적용된다.
• 시간 제한 기반 암호화를 통해 적응형 공격를 효과적으로 방지한다. 이는 투표자가 이전 투표 결과를 관찰하여 결과를 조작하는 것을 막는다.
• 공개 검증 가능한 영지식 증명을 통해 투표자의 암호화 및 투표 형식의 정확성을 강제함으로써 분쟁 없음을 보장한다.
• 구현 결과, 모든 알고리즘(Commit, Vote, Recover, Tally)의 실행 시간이 투표자 수 증가에 따라 선형적으로 증가함을 확인하여 확장성을 입증하였다.
• 모바일 기기에서는 3명의 투표자일 경우 Vote 단계가 21.03 ms, 12명일 경우 49.794 ms 소요되어 자원이 제한된 IoT 하드웨어에서의 실행 가능성을 입증하였다.
• Tally 단계는 영지식 증명이 필요로 하지 않아 가장 빠르며, 3명의 투표자일 경우 9.52 ms, 12명일 경우 21.714 ms 소요되어 모바일 기기에서도 빠른 처리가 가능하다.