[논문 리뷰] E-voting System Using Homomorphic Encryption and Blockchain Technology to Encrypt Voter Data

Hyunyeon Kim, Kyung Eun Kim외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 06.

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting참고 문헌 17인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 투표의 기밀성을 유지하면서도 투표자 신원 및 인구통계학적 데이터를 히든 암호화를 통해 암호화함으로써 기존의 투표 암호화 중심의 전자 투표 시스템의 개인정보 유출 문제를 해결하고자 한다. 투표 자체는 평문으로 유지하여 검증 가능성을 확보하면서도, 투표자의 개인정보에 대한 암호화 집중 전략을 통해 기밀성과 성능을 동시에 확보한다. 이로 인해 기존의 히든 암호화 및 블록체인 기반 시스템과 비교해도 성능이 유사하거나 뛰어나다.

ABSTRACT

Homomorphic encryption and blockchain technology are regarded as two significant technologies for improving e-voting systems. In this paper, we suggest a novel e-voting system using homomorphic encryption and blockchain technology that is focused on encrypting voter data. By encrypting voter information rather than cast votes, the system enables various statistical analyses regarding the vote result while securing the credibility, privacy, and verifiability of overall e-voting system. We checked the efficiency of the overall system by comparing the speed of the proposed system with the speed of other e-voting systems that use homomorphic encryption and blockchain technology.

연구 동기 및 목표

• 투표를 암호화하는 데에 집중하는 기존 전자 투표 시스템의 개인정보 유출 문제를 해결한다.
• 해독 없이도 투표자의 인구통계학적 정보(예: 연령, 성별, 교육 수준 등)에 대한 안전하고 기밀성 있는 통계 분석을 가능하게 한다.
• 투표 수를 평문 상태로 처리함으로써 투표 집계의 효율성을 높이고, 투표자 데이터에 대한 히든 암호화를 통해 종단 간 검증성을 유지한다.
• 제안된 시스템이 기존의 블록체인 기반 및 히든 암호화 기반 전자 투표 시스템과 비교해도 성능을 유지하거나 초월함을 입증한다.
• 투표자 데이터 기밀성을 보장하면서도 투표의 투명성과 감사 가능성을 훼손하지 않는 전자 투표의 새로운 패러다임을 도입한다.

제안 방법

• 투표자 특성(예: 연령, 성별, 교육 수준 등)을 히든 암호화하여 블록체인에 저장하기 전에 암호화한다.
• 투표를 평문 상태로 저장하여 투표자가 자신의 투표 선택을 직접 검증할 수 있도록 하여 투명성과 사용자 신뢰를 향상시킨다.
• 모든 암호화된 투표자 데이터와 평문 상태의 투표를 공개 블록체인에 기록하여 무결성과 감사 가능성을 보장한다.
• 해독 없이도 암호화된 투표자 특성에 대해 히든 암호화 연산을 수행함으로써 통계 분석을 수행한다.
• 분산형이고 불변성 있는 블록체인의 특성을 활용하여 투표 기록 및 저장 과정에서의 위변조 탐지 및 무결성 확보를 한다.
• 투표 집계 과정에서 히든 암호화 연산을 최소화함으로써 성능을 최적화한다. 집계 과정에서는 오직 평문 상태의 집계만을 사용하여 계산 오버헤드를 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기타 시스템이 투표를 암호화하는 데 집중하는 것과는 달리, 투표자 개인정보를 기밀로 유지하면서도 인구통계학적 데이터의 상세한 통계 분석이 가능한가?
• RQ2 투표자 데이터를 암호화하는 전자 투표 시스템의 성능은 투표를 암호화하는 시스템과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 히든 암호화를 투표에서 투표자 특성으로 이동시키는 것이 시스템의 효율성과 검증 가능성 향상에 기여하는가?
• RQ4 해독 없이도 암호화된 투표자 특성에 대한 통계 분석이 개인정보 보호성과 시스템 성능을 해치지 않고 수행 가능한가?
• RQ5 데이터 크기가 제안된 시스템의 블록체인 데이터 기록 및 히든 암호화 연산 속도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 1024명의 투표자에 대해 투표 집계 시간이 약 1.7초로, 데이터 크기에 관계없이 일관된 성능을 보였다.
• 투표를 평문 상태로 처리함으로써 히든 암호화 덧셈 연산의 비용을 피함으로써 제안된 시스템의 투표 집계 속도가 다른 시스템보다 더 빠르다.
• 블록체인 데이터 기록 과정에서도 높은 효율성을 유지하여, 더 큰 데이터 크기 처리 시에도 성능 저하가 없었다.
• 암호화된 투표자 특성에 대한 통계 분석은 가능하고 안전하며, 해독 없이도 히든 암호화 연산을 수행함으로써 기밀성이 유지된다.
• 투표를 암호화하는 대신 투표자 데이터를 암호화함으로써 강력한 기밀성과 높은 성능을 동시에 확보할 수 있으며, 전통적인 접근 방식에 비해 핵심 효율성 지표에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 히든 암호화된 32비트 덧셈 1024회 실행 시간은 약 5.463초로 추정되어, 이러한 연산이 처리 가능하고 시스템의 성능 저하 요소가 되지 않는다는 점을 확인했다.