[논문 리뷰] Design of Distributed Voting Systems

Christian Meter|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 08.

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting참고 문헌 1인용 수 29

한 줄 요약

이 학위 논문은 블록체인 기술을 사용하여 안전하고 탈중앙화된 전자 투표 시스템을 설계하며, 자원이 제한된 장치인 스마트폰이 투표 검증에 참여할 수 있도록 경량화된 스테이크홀딩 기반 증명 메커니즘을 제안한다. 주요 기여는 비트코인의 작업 증명 방식에 비해 계산량과 탄소 배출량이 적은 대안을 제공하여 페어 투 페어 전자 투표 시스템의 접근성과 지속 가능성성을 향상시키는 데 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 실세계 전자 투표 시스템을 분석하고 설계 결함 및 보안 과제를 규명한다.
• 기존 시스템의 검증된 구성 요소를 기반으로 안전하고 탈중앙화된 전자 투표 시스템의 템플릿을 설계한다.
• 특히 페어 투 페어 공인 합의 기반 블록체인 기술의 전자 투표 응용 가능성을 탐색한다.
• 일반 장치인 스마트폰이 블록체인에 투표를 검증하고 포함할 수 있도록 수정된 스테이크홀딩 기반 증명 메커니즘을 개발한다.
• 보안성, 탈중앙화, 효율성 측면에서 기존 실세계 시스템과 비교하여 제안된 시스템을 평가한다.

제안 방법

• 에스토니아, 노르웨이, 호주 등 대규모 실세계 전자 투표 시스템을 분석하여 핵심 아키텍처 구성 요소를 추출한다.
• 안전하고 검증 가능하며 탈중앙화된 구성 요소를 통합한 개념적 전자 투표 시스템 템플릿을 설계한다.
• 투표 저장 및 검증을 위한 분산 원장으로서 블록체인 기술을 적응한다.
• 스마트폰 및 태블릿과 같은 저전력 장치에서도 사용이 가능한 계산 요구량을 줄인 스테이크홀딩 기반 합의 메커니즘을 수정한다.
• 수정된 스테이크홀딩 기반 합의 메커니즘이 보안성과 최종성은 유지하면서 에너지 소비와 탄소 배출량을 최소화하도록 보장한다.
• 기존 전자 투표 시스템과의 비교를 통해 보안성 및 사용성 요구사항을 충족하는지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 전자 투표 시스템을 어떻게 분석하여 공통적인 취약점과 설계 제약 조건을 규명할 수 있는가?
• RQ2 안전하고 검증 가능한 전자 투표 시스템을 구축하기 위해 필수적인 아키텍처 구성 요소는 무엇인가?
• RQ3 블록체인 기술은 전자 투표의 탈중앙화와 신뢰성에 어떻게 기여할 수 있는가?
• RQ4 스마트폰과 같은 자원이 제한된 장치가 참여할 수 있도록 스테이크홀딩 기반 증명 메커니즘은 어떻게 수정할 수 있는가?
• RQ5 블록체인 기반 전자 투표 시스템에서 보안성, 탈중앙화, 에너지 효율성 간의 상충 관계는 어떻게 발생하는가?

주요 결과

• 제안된 스테이크홀딩 기반 증명 변형은 스마트폰 및 태블릿과 같은 일반 소비자 장치에서 투표 검증을 가능하게 하여 합의 프로세스에의 참가 범위를 크게 확대한다.
• 수정된 합의 메커니즘은 비트코인의 작업 증명 방식보다 상당히 낮은 계산 능력을 요구하여 탄소 배출량이 줄어든다.
• 시스템 설계는 실세계 전자 투표 시스템의 구성 요소를 성공적으로 통합하면서도 탈중앙화를 향상시키고 중심 집중점 고장에 대한 저항력을 강화한다.
• 평가 결과, 제안된 시스템은 검증 가능성, 무결성, 기밀성과 같은 전자 투표의 핵심 요구사항을 충족함을 보여준다.
• 페어 투 페어 블록체인 아키텍처는 신뢰를 강화하고 중앙 집중적 기관에 대한 의존도를 줄여 민주적 원칙인 투명성과 회복력과 부합한다.