[论文解读] A Blockchain-based Self-tallying Voting Scheme in Decentralized IoT

Yannan Li, Willy Susilo+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2019

Cryptography and Data Security参考文献 27被引用 17

一句话总结

本文提出了一种基于区块链的自计票投票方案，适用于去中心化的物联网环境，确保公平性、无争议性以及最大程度的选票保密性。通过整合知识的零知识证明与时间承诺机制，该方案可防止自适应攻击和中止攻击，实现无需中心化权威机构的可验证去中心化计票，实现结果验证，且在移动设备上的实现结果证实了其在实际应用中的可行性。

ABSTRACT

The Internet of Things (IoT) is experiencing explosive growth and has gained extensive attention from academia and industry in recent years. Most of the existing IoT infrastructures are centralized, in which the presence of a cloud server is mandatory. However, centralized frameworks suffer from the issues of unscalability and single-point-of-failure. Consequently, decentralized IoT has been proposed by taking advantage of the emerging technology of Blockchain. Voting systems are widely adopted in IoT, such as a leader election in wireless sensor networks. Self-tallying voting systems are alternatives to traditional centralized voting systems in decentralized IoT since the traditional ones are not suitable for such scenarios. Unfortunately, self-tallying voting systems inherently suffer from fairness issues, such as adaptive and abortive issues caused by malicious voters. In this paper, we introduce a framework of self-tallying systems in decentralized IoT based on Blockchain. We propose a concrete construction and prove the proposed system satisfies all the security requirements including fairness, dispute-freeness and maximal ballot secrecy. The implementations on mobile phones demonstrate the practicability of our system.

研究动机与目标

• 解决去中心化物联网环境中自计票投票系统中的公平性问题。
• 消除物联网应用（如领导者选举和共识决策）中对中心化权威机构进行计票的依赖。
• 在去中心化、基于区块链的框架中，确保公平性、无争议性以及最大程度的选票保密性等安全属性。
• 设计一种在资源受限的物联网设备（如移动电话）上高效运行的实用协议。

提出的方法

• 该方案采用先前工作的改进承诺机制，防止恶意选民引发的中止攻击。
• 引入时间承诺机制，以缓解自适应攻击，即选民在投票前可能获知结果的问题。
• 在所有协议阶段均使用知识的零知识证明（ZKPoK），以强制诚实行为并确保公开可验证性。
• 计票过程通过计算所有选民承诺的乘积，使任何人都可验证最终结果，而无需暴露个别选票。
• 安全性在判定性迪菲-赫尔曼（DDH）假设和零知识证明 soundness 下得到证明，获胜概率被限制在 1/2 + 可忽略误差范围内。
• 使用 Miracl 库在笔记本电脑和安卓设备上实现该协议，以评估其在资源受限硬件上的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在去中心化的物联网架构中，如何保证自计票投票系统的公平性？
• RQ2 哪些机制可以防止恶意选民中止流程或过早获知结果？
• RQ3 在去中心化环境中，如何在实现公开计票验证的同时最大化选票保密性？
• RQ4 基于区块链的自计票方案是否能在计算资源有限的移动设备上高效实现？

主要发现

• 所提出的方案通过确保即使选民延迟公开其选票，也无法在投票前获知结果，从而实现公平性。
• 时间承诺机制有效防止了自适应攻击，即选民可能通过观察先前投票来操纵结果的情况。
• 通过公开可验证的零知识证明，协议确保了无争议性，强制正确承诺和选票格式。
• 实现结果表明，所有算法（Commit、Vote、Recover、Tally）的执行时间随选民数量线性增长，证实了可扩展性。
• 在移动设备上，3名选民的Vote阶段耗时21.03 ms，12名选民为49.794 ms，表明其在资源受限的物联网硬件上具有可行性。
• Tally阶段速度最快，3名选民仅需9.52 ms，12名选民为21.714 ms，因其不涉及零知识证明。