[论文解读] A Privacy-Preserving Blockchain-based E-voting System

Arnab Mukherjee, Souvik Majumdar+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2023

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于以太坊、零知识证明（zk-SNARKs）和智能合约的隐私保护区块链电子投票系统，以确保选民匿名性、投票完整性与可审计性。原型系统在负载下表现出较低的Gas成本和可扩展的性能，基准测试中平均延迟低于0.012秒，吞吐量超过2,500 TPS。

ABSTRACT

Within a modern democratic nation, elections play a significant role in the nation's functioning. However, with the existing infrastructure for conducting elections using Electronic Voting Systems (EVMs), many loopholes exist, which illegitimate entities might leverage to cast false votes or even tamper with the EVMs after the voting session is complete. The need of the hour is to introduce a robust, auditable, transparent, and tamper-proof e-voting system, enabling a more reliable and fair election process. To address such concerns, we propose a novel solution for blockchain-based e-voting, focusing on the security and privacy aspects of the e-voting process. We consider the security risks and loopholes and aim to preserve the anonymity of the voters while ensuring that illegitimate votes are properly handled. Additionally, we develop a prototype as a proof of concept using the Ethereum blockchain platform. Finally, we perform experiments to demonstrate the performance of the system.

研究动机与目标

• 解决现有电子投票系统（EVMs）中存在的安全与隐私漏洞，包括篡改和身份暴露问题。
• 设计一种去中心化、透明且可审计的电子投票系统，在确保投票有效性的同时保护选民匿名性。
• 在以太坊区块链上实现一个功能原型，利用零知识证明和智能合约实现端到端可验证性。
• 使用Hyperledger Caliper对系统在负载下的性能进行评估，测量吞吐量和延迟。

提出的方法

• 利用以太坊区块链实现去中心化、不可篡改的投票记录存储与智能合约执行。
• 通过ZoKrates工具箱使用zk-SNARKs生成零知识证明，验证投票有效性，同时不泄露选民身份或投票内容。
• 部署两个核心智能合约：RegistrationSC用于用户注册，PollSC用于投票生命周期管理（创建、选民注册、投票、关闭、结果发布）。
• 使用IPFS将注册和验证报告等文件存储于链下，以减少链上膨胀和Gas成本。
• 采用两阶段架构：使用ZoKrates在链下生成证明，通过与以太坊兼容的智能合约在链上验证。
• 使用Hyperledger Caliper进行性能评估，测量在不同事务速率（25–300 TPS）和并发用户数（25–100）下的吞吐量和平均延迟。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将区块链技术与零知识证明结合，以确保电子投票系统中的选民隐私？
• RQ2 在基于区块链的电子投票系统中集成zk-SNARKs会带来多大的性能开销，体现在Gas消耗和事务延迟方面？
• RQ3 去中心化的电子投票系统能否在防止投票重复和未经授权访问的同时，维持可审计性、可验证性和不可篡改性？
• RQ4 随着事务负载和并发用户的增加，系统如何实现可扩展性？
• RQ5 在以太坊上，投票提交、证明验证和投票管理等关键操作的实际Gas成本是多少？

主要发现

• 在理想条件下，系统平均延迟低于0.012秒，吞吐量超过每秒2,500笔事务（TPS），表明具备出色的可扩展性。
• 核心操作（如投票提交和证明验证）的Gas成本保持较低水平，PollSC合约中特定功能的最高成本为105 Gas单位。
• 该原型通过zk-SNARKs生成的证明成功实现了端到端可验证性，可确认投票有效性，同时不暴露选民身份或选票内容。
• 使用IPFS进行链下文档存储，有效减少了链上数据膨胀，降低了整体系统成本。
• 通过零知识证明，系统确保即使验证者也无法将选票与选民关联，从而提供了强有力的隐私保障。
• 基准测试结果表明，系统在25至300 TPS和25至100名并发用户范围内的各种工作负载下均保持稳定和高效。