[논문 리뷰] An efficient and effective Decentralized Anonymous Voting System

Wei-Jr Lai Ja-Ling Wu|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 18.

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 라이트웨이트이고 탈중앙화된 전자 투표 시스템을 제안하며, 이는 이더리움 블록체인 기반으로 구축되어 효율적인 링 서명 기법을 통해 투표의 익명성을 보장하고, 블록체인에 메시지를 게시함으로써 공개적 검증을 가능하게 하며, 제3자에 의존하지 않고도 자체 투표 집계가 가능한 시스템이다. 이 시스템은 낮은 가스 비용과 강력한 프라이버시를 유지하면서도 결과의 정확성을 확보하여 대규모 선거에 적합하다.

ABSTRACT

A trusted electronic election system requires that all the involved information must go public, that is, it focuses not only on transparency but also privacy issues. In other words, each ballot should be counted anonymously, correctly, and efficiently. In this work, a lightweight E-voting system is proposed for voters to minimize their trust in the authority or government. We ensure the transparency of election by putting all message on the Ethereum blockchain, in the meantime, the privacy of individual voter is protected via an efficient and effective ring signature mechanism. Besides, the attractive self-tallying feature is also built in our system, which guarantees that everyone who can access the blockchain network is able to tally the result on his own, no third party is required after voting phase. More importantly, we ensure the correctness of voting results and keep the Ethereum gas cost of individual participant as low as possible, at the same time. Clearly, the pre-described characteristics make our system more suitable for large-scale election.

연구 동기 및 목표

• 신뢰할 수 있는 기관에 의존도를 최소화하는 탈중앙화된 전자 투표 시스템을 설계하는 것.
• 효율적인 링 서명 기반 메커니즘을 통해 투표자 프라이버시를 보장하는 것.
• 이더리움 블록체인을 활용해 투표 결과의 공개적 검증 및 자체 투표 집계를 가능하게 하는 것.
• 정확성과 보안을 유지하면서도 참가자 개인의 이더리움 거래 가스 비용을 최소화하는 것.
• 신뢰할 수 없는 환경에서 효율성과 확장성을 확보하여 대규모 선거를 지원하는 것.

제안 방법

• 시스템은 투표자의 신원을 익명화하기 위해 링 서명을 사용하여 개별 투표가 특정 투표자와 연결되지 않도록 한다.
• 모든 투표 메시지는 이더리움 블록체인에 게시되어 투명성과 공개 감사 가능성을 보장한다.
• 모든 참가자가 중앙 기관에 의존하지 않고도 독립적으로 투표 결과를 검증할 수 있도록 자체 투표 집계 메커니즘을 구현한다.
• 투표 규칙을 강제하고 선거 수명 주기를 관리하기 위해 이더리움 스마트 컨트랙트를 활용한다.
• 각 투표자당 최소한의 온체인 스토리지와 경량 암호화 연산을 통해 가스 효율성을 최적화한다.
• 투표를 선거 환경과 암호학적으로 유사성 있게 묶고 변조를 방지함으로써 결과의 정확성을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탈중앙화된 전자 투표 시스템은 신뢰할 수 있는 기관에 의존하지 않고도 투표자의 익명성을 어떻게 보장할 수 있는가?
• RQ2 블록체인 기반 시스템은 효율적이고 저비용의 투표를 제공하면서도 종단 간 검증성을 유지할 수 있는가?
• RQ3 신뢰할 수 없는 환경에서 자체 투표 집계는 어떻게 구현되어 제3자 의존을 제거할 수 있는가?
• RQ4 스마트 컨트랙트 환경에서 성능 오버헤드를 최소화하면서 강력한 프라이버시를 보장할 수 있는 암호학적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 이더리움에서 안전하고 검증 가능한 전자 투표 프로토콜에서 가스 비용은 얼마나 최소화될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 모든 투표 메시지를 이더리움 블록체인에 게시함으로써 종단 간 검증을 성공적으로 달성한다.
• 링 서명은 투표자의 신원을 효과적으로 익명화하면서도 투표 과정의 무결성을 훼손하지 않는다.
• 시스템은 자체 투표 집계를 지원하여 블록체인 참가자가 중앙 기관에 의존하지 않고도 최종 투표 결과를 독립적으로 계산하고 검증할 수 있다.
• 최적화된 암호화 연산과 최소한의 온체인 데이터 스토리지 덕분에 투표자당 가스 비용이 낮게 유지된다.
• 형식적 보안 분 析를 통해 악성 참가자 존재하에서도 정확성과 프라이버시가 유지됨을 입증하였다.
• 탈중앙화되고 효율적인 아키텍처 덕분에 확장성이 확보되어 대규모 선거에 적합하다.