[논문 리뷰] Estonian Voting Verification Mechanism Revisited

Koksal Mus, Mehmet Sabi̇r Kiraz외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 02.

Advanced Malware Detection Techniques참고 문헌 9인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 에스토니아의 i-투표 시스템을 위한 기밀성 보장 검증 메커니즘을 제안하며, 검증 장치가 손상된 경우에도 투표자의 선택을 알 수 없도록 한다. 대칭 암호화를 사용해 검증 매개변수를 숨기고, 투표자가 검증 코드의 짧은 무작위 접미사를 확인함으로써, 기밀성을 유지하면서도 각 검증에 m개의 추가 대칭 복호화만으로 효율성을 확보한다.

ABSTRACT

After the Estonian Parliamentary Elections held in 2011, an additional verification mechanism was integrated into the i-voting system in order to resist corrupted voting devices, including the so called Student's Attack where a student practically showed that the voting system is indeed not verifiable by developing several versions of malware capable of blocking or even changing the vote. This mechanism gives voters the opportunity to verify whether the vote they cast is stored in the central system correctly. However, the verification phase ends by displaying the cast vote in plain form on the verification device. In other words, the device on which the verification is done learns the voter's choice. In this work, our aim is to investigate this verification phase in detail and to point out that leaking the voter's choice to the verification application may harm the voter privacy. Additionally, when applied in a wide range, this would even compromise the fairness and the overall secrecy of the elections. In this respect, we propose an alternative verification mechanism for the Estonian i-voting system to overcome this vulnerability. Not only is the proposed mechanism secure and resistant against corrupted verification devices, so does it successfully verify whether the vote is correctly stored in the system. We also highlight that our proposed mechanism brings only symmetric encryptions and hash functions on the verification device, thereby mitigating these weaknesses in an efficient way with a negligible cost. More concretely, it brings only $m$ additional symmetric key decryptions to the verification device, where $m$ denoting the number of candidates. Finally, we prove the security of the proposed verification mechanism and compare the cost complexity of the proposed method with that of the current mechanism.

연구 동기 및 목표

• 검증 장치가 투표자의 실제 투표를 평문으로 알 수 있는 에스토니아 i-투표 검증 메커니즘의 심각한 기밀성 취약점을 규명하는 것.
• 검증 장치가 손상된 경우 투표 기밀성이 泄露될 수 있는 위험을 해결하는 것, 특히 장치가 투표자 소유이거나 제어되는 경우에 특히 중요하다.
• 검증 장치가 손상된 경우에도 투표 기밀성을 유지할 수 있는 새로운 검증 메커니즘을 설계하는 것, 추가 후행 채널에 의존하지 않는 것.
• 새로운 메커니즘이 강력한 보안 보장을 유지하면서도 실용성과 사용성에 적합하도록 하는 것.
• 제안된 솔루션이 최소한의 계산 오버헤드로 기밀성과 검증 가능성을 동시에 달성할 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• 제안된 메커니즘은 대칭 암호화를 사용해 검증 매개변수를 생성함으로써, 검증 장치가 실제 투표를 알 수 없도록 한다.
• 각 검증 매개변수는 투표자가 무작위로 생성한 왼쪽 부분과 선거 당국이 제공하는 오른쪽 부분으로 나뉘며, 투표자는 오직 오른쪽 부분만을 확인한다.
• 투표자는 검증 코드의 마지막 32비트(4개의 출력 가능한 문자)만 확인하며, 이는 모든 후보자에게 대해 구분이 불가능하여 기밀성을 유지한다.
• 검증 과정은 해시 함수와 대칭 키 복호화를 사용해 올바른 투표가 검증 매개변수에 암호학적으로 묶여 있음을 보장한다.
• 투표자 인증을 위해 하나의 비대칭 암호화를 사용하고, 각 검증에 m개의 대칭 복호화를 수행함으로써 검증 장치에 대한 신뢰를 크게 줄인다.
• 프로토콜는 검증 장치가 손상된 경우에도, 검증 매개변수가 상호 구별이 불가능하므로 선택된 후보자를 특정할 수 없도록 설계되어 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 손상된 검증 장치를 통해 현재 에스토니아 i-투표 검증 메커니즘이 투표자의 실제 투표를 평문으로 유출할 수 있는가?
• RQ2 검증 장치가 악성 당사자에 의해 완전히 제어되는 경우에도 투표 기밀성을 유지할 수 있는 검증 메커니즘을 설계할 수 있는가?
• RQ3 검증 장치에 투표를 유출하지 않으면서도 검증 가능성을 유지할 수 있는 방법은 무엇인가? 동시에 효율성과 사용성은 유지되어야 한다.
• RQ4 클라이언트 측 검증 모델에서 기밀성 보장 검증을 달성하기 위해 필요한 최소한의 암호학적 오버헤드는 무엇인가?
• RQ5 사용자 인지 부담을 줄이면서도 강력한 기밀성 보장을 확보할 수 있도록 검증 과정을 최적화할 수 있는가?

주요 결과

• 현재 에스토니아 i-투표 검증 메커니즘은 검증 장치에 투표자의 실제 투표가 평문으로 노출되어 기밀성 위반이 발생한다. 이는 장치가 투표자 소유일 경우에도 마찬가지다.
• 제안된 메커니즘은 대칭 암호화를 사용해 검증 매개변수를 숨김으로써, 검증 장치에 투표 정보가 유출되지 않도록 한다.
• 시스템은 검증자가 볼 때 모든 검증 매개변수가 구별이 불가능하도록 보장하여, 장치가 손상된 경우에도 투표 기밀성이 유지된다.
• 이 메커니즘은 검증 장치에서 총 m개의 추가 대칭 복호화만 필요하며, 여기서 m은 후보자의 수이므로 계산적으로 효율적이다.
• Ghost Click 공격에 대해 안전하며, 추가 후행 채널 통신에 의존하지 않아 실용성이 향상된다.
• 사용성은 각 검증 매개변수의 마지막 32비트(4개의 출력 가능한 문자)만 표시함으로써 향상되어, 투표자가 정확한 투표를 빠르게 시각적으로 확인할 수 있고, 민감한 데이터를暴露하지 않는다.