[논문 리뷰] A transparent referendum protocol with immutable proceedings and verifiable outcome for trustless networks

Maximilian Schiedermeier, Omar Hasan외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 13.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 16인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 보안 다자간 계산(SMPC)과 블록체인 기술을 융합하여 투표 비밀 보장, 검증 가능한 결과 및 불가변적 절차를 보장하는 투명하고 신뢰할 수 없는 참배 회의 프로토콜을 제안한다. 모든 의사소통을 분산 레거시에 기록함으로써, 사용자는 제3자에 의존하지 않고도 참배 회의 절차의 정확성을 독립적으로 검증할 수 있으며, 이는 종단 간 검증성과 유착 및 조작에 대한 저항력을 달성한다.

ABSTRACT

High voter turnout in elections and referendums is very desirable in order to ensure a robust democracy. Secure electronic voting is a vision for the future of elections and referendums. Such a system can counteract factors that hinder strong voter turnout such as the requirement of physical presence during limited hours at polling stations. However, this vision brings transparency and confidentiality requirements that render the design of such solutions challenging. Specifically, the counting must be implemented in a reproducible way and the ballots of individual voters must remain concealed. In this paper, we propose and evaluate a referendum protocol that ensures transparency, confidentiality, and integrity, in trustless networks. The protocol is built by combining Secure Multi-Party Computation (SMPC) and Distributed Ledger or Blockchain technology. The persistence and immutability of the protocol communication allows verifiability of the referendum outcome on the client side. Voters therefore do not need to trust in third parties. We provide a formal description and conduct a thorough security evaluation of our proposal.

연구 동기 및 목표

• 신뢰할 수 있는 제3자에 의존하지 않는 안전하고 투명한 전자 참배 회의 시스템을 설계하는 것.
• 투표 비밀 보장을 확보하면서도 참배 회의 결과의 완전한 클라이언트 측 검증을 가능하게 하는 것.
• 암호학적 및 프로토콜 수준의 보안 조치를 통해 유착, 중복 투표 및 탈식별화를 방지하는 것.
• 블록체인 기술을 활용해 참가자 모든 행동의 검증 가능하고 불가변적인 로그를 제공하는 것.
• 신뢰할 수 없는 네트워크 환경에서 실질적인 적대자 모델에 대한 프로토콜의 내성에 대한 평가를 수행하는 것.

제안 방법

• 프로토콜은 투표자의 프라이버시를 유지하면서도 참배 회의 결과를 안전하게 계산하기 위해 SMPC를 사용한다.
• 모든 의사소통과 행동은 공공 블록체인에 기록되어 불변성과 투명성을 보장한다.
• 사용자는 블록체인을 통해 무작위로 선정된 워커에게 암호화된 투표 공유를 제출하며, 이는 임계값 기반 비밀 공유 기법을 사용해 집계된다.
• 사용자 등록을 위해 익명 자격 증명을 사용하며, 등록 데이터와 공개 키는 감사 가능성을 확보하기 위해 레저에 기록된다.
• 통신은 토르(TOR)를 통해 이루어져 탈식별화 및 사이드 채널 공격을 방지한다.
• SMPC 체계에서 높은 임계값을 적용함으로써 유착 위험을 감소시키고 통계적 이질점 분석을 통해 악성 행동을 탐지할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 참배 회의 프로토콜이 신뢰할 수 있는 제3자에 의존하지 않고 종단 간 검증성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 블록체인 기술이 참배 회의 절차의 불변성과 투명성을 어느 정도 보장할 수 있는가?
• RQ3 프로토콜은 워커나 투표자 간의 유착을 어떻게 방지하며, 어떤 메커니즘이 악성 행동을 탐지하는가?
• RQ4 클라이언트 측 결과 검증을 가능하게 하면서도 투표 비밀을 유지할 수 있는가?
• RQ5 신뢰할 수 없는 환경에서 중복 투표와 탈식별화를 어떻게 방지할 수 있는가?

주요 결과

• 모든 행동을 블록체인에 기록함으로써 프로토콜은 참배 회의 결과에 대한 완전한 클라이언트 측 검증을 가능하게 하여 신뢰할 수 있는 기관에 의존하지 않게 한다.
• SMPC를 통해 투표 비밀이 보장되어, 워커가 해킹되더라도 개인 투표가 기밀로 유지된다.
• 중복 투표는 검출 가능하며, 사용자가 워커에게 제출한 투표 공유 중 가장 최근의 것만 수락되기 때문에 투표 수 증가를 방지할 수 있다.
• 참가자의 신원을 익명으로 유지하고 SMPC 체계에서 높은 임계값을 적용함으로써 유착에 저항하며, 통계적 이질점 분석을 통해 악성 행동을 탐지할 수 있다.
• 종단 간 암호화와 토르 기반 통신을 통해 탈식별화 및 사이드 채널 통신 위험을 완화하여 암묵적 유착의 위험을 줄인다.
• 등록 데이터, 공개 키 및 통신 메타데이터를 블록체인에 기록함으로써 검증 가능한 감사 흔적을 제공하여 배제 또는 악성 행동의 증거를 제시할 수 있다.