[논문 리뷰] Ques-Chain: an Ethereum Based E-Voting System

Qixuan Zhang, Bowen Xu외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 13.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 8인용 수 7

한 줄 요약

Ques-Chain는 이더리움 기반의 블록체인 e-투표 시스템으로, 세 명의 당사자(조직자, 투표자, 스마트 컨트랙트)가 협력하는 3자 간 盲서명 프로토콜을 통해 익명성, 인증성, 투표의 무결성, 검증 가능성을 보장한다. 이는 스팸 및 무단 투표를 방지한다.

ABSTRACT

Ethereum is an open-source, public, blockchain-based distributed computing platform and operating system featuring smart contract functionality. In this paper, we proposed an Ethereum based eletronic voting (e-voting) protocol, Ques-Chain, which can ensure the authentication can be done without hurting confidentiality and the anonymity can be protected without problems of scams at the same time. Furthermore, the authors considered the wider usages Ques-Chain can be applied on, pointing out that it is able to process all kinds of messages and can be used in all fields with similar needs.

연구 동기 및 목표

• 투표자의 익명성을 유지하면서도 인증 및 위조 방지 기능을 갖춘 안전하고 탈중앙화된 e-투표 시스템을 설계하는 것.
• 전자 투표 및 의견 수집 시스템에서 투명성, 익명성, 무결성의 균형을 맞추는 과제를 해결하는 것.
• 국민 투표, 사내 평가, 고객 만족도 조사와 같은 실생활 응용 분야에 탈중앙화된 e-투표를 실용적으로 구현할 수 있도록 하는 것.
• 이더리움의 스마트 컨트랙트 기능과 블록체인의 불변성 특성을 활용해 투표 시스템의 비용을 줄이고 신뢰도를 높이는 것.
• 설문 조사나 불만 제보와 같은 익명성과 인증이 필요한 메시지 제출이 가능한 일반 목적의 프로토콜을 제공하는 것.

제안 방법

• 투표자가 투표 내용을 조직자나 스마트 컨트랙트가 알 수 없도록 하는 데를 위한 블라인드 서명 기법을 사용한다.
• 블라인드 서명 과정을 투표자 블라인딩, 조직자 서명, 스마트 컨트랙트 검증의 세 단계로 분리하여, 어느 한 당사자도 전체 투표 내용을 볼 수 없도록 보장한다.
• 이더리움 EVM에 스마트 컨트랙트를 배포하여 검사자 역할을 하며, 조직자의 공개 키를 사용해 서명을 검증하고, 유효한 투표만 공개된 BallotBox에 저장한다.
• 이더리움 사용자가 블록체인의 투명성 덕분에 최종 투표 집계를 검토하고 결과의 정확성을 검증할 수 있도록 엔드 투 엔드 검증 기능을 제공한다.
• 투표자와 조직자가 별도의 키 쌍을 사용해 투표를 암호화하는 공개 기능을 도입하여, 조직자가 결과 공개를 제어하면서도 익명성을 유지할 수 있도록 한다.
• 이더리움의 가스 메커니즘과 합의 모델에 의존하여 투표 과정의 공정성, 불변성, 변조에 대한 저항성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하면 전자 투표 시스템이 투표자의 익명성을 유지하면서도 인증 기능과 중복 또는 위조 투표 방지를 달성할 수 있는가?
• RQ2 탈중앙화된 블록체인 기반 시스템이 전자 투표 및 의견 수집에서 신뢰할 수 있는 제3자에 대한 의존도를 완전히 제거할 수 있는가?
• RQ3 어떻게 하면 블라인드 서명 프로토콜을 투표자, 조직자, 스마트 컨트랙트 등 다수의 당사자 간에 분산시켜 익명성과 무결성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 국민 투표와 같은 대규모 응용 분야에 대해 이더리움에 이러한 시스템을 구현할 경우 실질적인 성능과 비용 영향은 어떠한가?
• RQ5 실제 구현에서 이 프로토콜이 스팸, 강압, 수신 증거 없음 공격을 어느 정도 방지할 수 있는가?

주요 결과

• Ques-Chain 프로토콜은 정확성, 익명성, 강건성, 검증 가능성, 공정성을 확보하여 전자 투표 시스템의 핵심 보안 특성을 충족한다.
• 세 당사자 블라인드 서명 메커니즘 덕분에 다중 투표 및 스팸을 방지하여, 승인된 투표만 유효하게 처리된다.
• 이더리움 메인넷에서 브렉시트 투표를 Ques-Chain로 수행할 경우 예상 비용은 390만 파운드로, 기존의 1억 2910만 파운드 대비 97% 저렴하다.
• 이 프로토콜은 국민 투표, 기업 사내 평가, 고객 리뷰, NGO 프로젝트 평가 등 다양한 응용 분야를 지원할 수 있다.
• 조직자가 권한 부여를 제어하더라도 스마트 컨트랙트가 원본 투표 내용을 볼 수 없어 투표자의 익명성이 유지된다.
• 수신 증거 없음 기능은 완전히 달성되지 않았으며, 투표자가 블라인딩 키를 사용해 자신의 투표를 증명할 수 있는 수신 증거를 제작할 수 있어 여전히 공격 표면이 존재한다.