[논문 리뷰] A Privacy-Preserving Blockchain-based E-voting System

Arnab Mukherjee, Souvik Majumdar외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 17.

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 이더리움, 제로지식 증명(zk-SNARKs), 그리고 스마트 계약을 사용하여 투표자의 익명성, 투표의 무결성, 감사 가능성을 보장하는 프라이버시 보장 블록체인 기반 전자 투표 시스템을 제안한다. 프로토타입은 부하 하에서 낮은 가스 비용과 확장 가능한 성능을 보이며, 벤치마크에서 평균 지연 시간은 0.012초 이하, 처리량은 2,500 TPS를 초과한다.

ABSTRACT

Within a modern democratic nation, elections play a significant role in the nation's functioning. However, with the existing infrastructure for conducting elections using Electronic Voting Systems (EVMs), many loopholes exist, which illegitimate entities might leverage to cast false votes or even tamper with the EVMs after the voting session is complete. The need of the hour is to introduce a robust, auditable, transparent, and tamper-proof e-voting system, enabling a more reliable and fair election process. To address such concerns, we propose a novel solution for blockchain-based e-voting, focusing on the security and privacy aspects of the e-voting process. We consider the security risks and loopholes and aim to preserve the anonymity of the voters while ensuring that illegitimate votes are properly handled. Additionally, we develop a prototype as a proof of concept using the Ethereum blockchain platform. Finally, we perform experiments to demonstrate the performance of the system.

연구 동기 및 목표

• 기존 전자 투표 시스템(EVMs)의 보안 및 프라이버시 취약점을 해결하기 위해, 위조 및 신원 노출 문제를 방지한다.
• 투표자의 익명성을 유지하면서도 투표 유효성을 보장하는 탈중앙화되고 투명하며 감사 가능한 전자 투표 시스템을 설계한다.
• 제로지식 증명과 스마트 계약을 활용하여 이더리움 블록체인 상에서 기능성 프로토타입을 구현함으로써 종단 간 검증 가능성을 확보한다.
• Hyperledger Caliper를 사용하여 부하 하에서 시스템 성능을 평가하고, 처리량과 지연 시간을 측정한다.

제안 방법

• 탈중앙화되고 불변하는 투표 기록 및 스마트 계약 실행을 위해 이더리움 블록체인을 활용한다.
• ZoKrates 툴박스를 통해 zk-SNARKs를 활용하여, 투표자의 신원이나 내용을 드러내지 않은 채로 투표 유효성을 검증할 수 있는 제로지식 증명을 생성한다.
• 등록 관리 및 투표 투표 기간 관리를 위한 두 가지 핵심 스마트 계약을 배포한다: RegistrationSC는 사용자 등록을 담당하고, PollSC는 투표 생성, 투표자 등록, 투표, 종료 및 결과 공개를 관리한다.
• 등록 및 검증 보고서의 오프체인 스토리지로 IPFS를 사용하여 체인 내 과도한 데이터 증가와 가스 비용을 줄인다.
• 이중 단계 아키텍처를 구현한다: ZoKrates를 통한 오프체인 증명 생성과 이더리움 호환 스마트 계약을 통한 온체인 검증.
• Hyperledger Caliper를 사용하여 다양한 트랜잭션 속도(25–300 TPS)와 동시 사용자 수(25–100) 조건에서 처리량과 평균 지연 시간을 측정하는 성능 평가를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블록체인 기술과 제로지식 증명을 어떻게 융합하여 전자 투표 시스템에서 투표자의 프라이버시를 보장할 수 있는가?
• RQ2 블록체인 기반 전자 투표 시스템에 zk-SNARKs를 통합할 경우, 가스 소비와 트랜잭션 지연 시간 측면에서 어떤 성능 오버헤드가 발생하는가?
• RQ3 탈중앙화된 전자 투표 시스템은 투표 중복과 무단 접근을 방지하면서도 감사 가능성, 검증 가능성, 불변성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 트랜잭션 부하와 동시 사용자가 증가함에 따라 시스템은 어떻게 확장되는가?
• RQ5 이더리움에서 투표 제출, 증명 검증, 투표 관리와 같은 핵심 작업의 실질적 가스 비용은 얼마인가?

주요 결과

• 최적 조건에서 평균 지연 시간은 0.012초 이하이며 처리량은 2,500 TPS를 초과하여 뛰어난 확장성을 입증한다.
• 투표 제출 및 증명 검증과 같은 핵심 작업의 가스 비용은 낮은 편을 유지하며, PollSC 계약의 특정 기능에서 최고 105 가스 단위의 비용을 기록한다.
• 프로토타입은 제로지식 증명 기반 증명을 통해 종단 간 검증 가능성을 성공적으로 입증하였으며, 이는 투표 유효성을 확인하면서도 투표자 신원이나 표의 내용을 폭 드러내지 않는다는 것을 의미한다.
• IPFS를 활용한 오프체인 문서 저장은 체인 내 데이터 과잉을 효과적으로 줄이고 전체 시스템 비용을 낮추는 데 기여한다.
• 제로지식 증명 덕분에 심사원조차도 투표를 투표자와 연결지을 수 없어, 시스템은 강력한 프라이버시 보장을 확보한다.
• 벤치마크 결과는 시스템이 25에서 300 TPS, 25에서 100명의 동시 사용자 범위의 광범위한 워크로드에서도 안정적이고 효율적인 성능을 유지를 함을 확인한다.