[论文解读] A practical multi-party computation algorithm for a secure distributed online voting system

Juanjo Bermúdez|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2016

Cryptography and Data Security参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出了一种实用的多方计算（MPC）算法，用于构建安全、分布式的在线投票系统。该系统将选民划分为小型集群，实现无需在公共服务器上存储敏感数据的可验证计票。该方法对来自外部黑客和恶意权威机构的攻击均具有强安全性，且不依赖于特定密码学原语，即使被攻破，整体风险也低于现有系统。

ABSTRACT

We present an online voting architecture based on partitioning the election in small clusters of voters and using a new Multi-party Computation algorithm for obtaining voting results from the clusters. This new algorithm has some practical advantages over other previously known algorithms and isn't bound to any specific cryptographic concept; so it can be adapted to future cryptographic exigencies. Compared with other online voting technologies, we see that this new architecture is less vulnerable to hacker attacks and attacks from dishonest authorities, given that no sensitive information is stored in any public server and there is no need for any trustee to safeguard the legality of the election process. Even in case of an attack succeeding, the risks associated with the overall election are far lower than with any other voting system. This architecture can also be combined with any other voting system, inheriting advantages from both systems.

研究动机与目标

• 设计一种可扩展、安全的在线投票系统，能够抵御外部攻击和不诚实权威机构的内部威胁。
• 消除对可信第三方或受托人来保障选举完整性的需求。
• 开发一种与底层密码学假设无关的多方计算协议，以实现未来可适应性。
• 通过确保敏感信息不存储在公共服务器上，最小化数据泄露风险。
• 构建一种可与现有投票技术互操作的系统，同时提升安全性。

提出的方法

• 系统将选民划分为小型、隔离的集群，以限制潜在泄露的影响。
• 采用一种新颖的多方计算算法，从集群级别的数据中计算选举结果，而无需暴露单个选票。
• MPC协议确保仅最终计票结果被公开，通过信息论安全性保护选民隐私。
• 该架构避免在公共服务器上存储任何敏感数据，从而减少攻击面。
• 协议设计独立于特定密码学原语，可与不断演进的密码学标准集成。
• 系统支持混合部署，可与其它投票系统集成，继承其优势。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种分布式在线投票系统，以防止数据外泄并确保选民隐私，同时不依赖可信第三方？
• RQ2 何种多方计算协议能够安全地从去中心化的集群中计算选举结果，同时与底层密码学假设无关？
• RQ3 在单个集群遭受攻击的情况下，如何最小化系统性被攻破的风险？
• RQ4 该提议的架构在哪些方面可与现有投票系统结合，以增强整体安全性？
• RQ5 在现实世界在线投票中使用基于集群的MPC，其实际性能与安全权衡如何？

主要发现

• 所提出的系统通过确保敏感数据不存储在公共服务器上，显著降低了攻击面，从而实现了强安全保证。
• MPC算法实现了无需暴露单个投票记录即可对选票进行可验证计票，有效保护了选民隐私。
• 该架构具有抗攻击能力：即使攻击者攻破某个集群，整体选举风险仍保持较低水平，得益于数据隔离机制。
• 该系统设计与特定密码学原语无关，可在未来迁移至更新、更安全的算法。
• 该系统可与其它投票机制结合，继承其优势，同时通过去中心化和MPC技术增强安全性。
• 已提交一项专利申请（WO 2015193524 A1），表明该方法具有新颖性和实际应用价值。