[论文解读] An efficient and effective Decentralized Anonymous Voting System

Wei-Jr Lai Ja-Ling Wu|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2018

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting被引用 8

一句话总结

本文提出了一种基于以太坊区块链的轻量级、去中心化的电子投票系统，通过高效的环签名方案确保投票匿名性，通过链上消息发布实现公开可验证性，并支持无需第三方参与的自计票。该系统在保持结果正确性的同时，实现了较低的Gas成本和强大的隐私保护，适用于大规模选举。

ABSTRACT

A trusted electronic election system requires that all the involved information must go public, that is, it focuses not only on transparency but also privacy issues. In other words, each ballot should be counted anonymously, correctly, and efficiently. In this work, a lightweight E-voting system is proposed for voters to minimize their trust in the authority or government. We ensure the transparency of election by putting all message on the Ethereum blockchain, in the meantime, the privacy of individual voter is protected via an efficient and effective ring signature mechanism. Besides, the attractive self-tallying feature is also built in our system, which guarantees that everyone who can access the blockchain network is able to tally the result on his own, no third party is required after voting phase. More importantly, we ensure the correctness of voting results and keep the Ethereum gas cost of individual participant as low as possible, at the same time. Clearly, the pre-described characteristics make our system more suitable for large-scale election.

研究动机与目标

• 设计一种去中心化的电子投票系统，最大限度减少对可信权威的依赖。
• 通过高效的环签名机制确保选民隐私。
• 利用以太坊区块链实现选举结果的公开可验证性和自计票。
• 在保持正确性和安全性的同时，降低以太坊交易中各参与方的Gas成本。
• 通过效率和可扩展性支持大规模选举。

提出的方法

• 系统使用环签名对选民身份进行匿名化处理，确保单个选票无法与特定选民关联。
• 所有投票消息均发布在以太坊区块链上，以确保透明性和公开可审计性。
• 实施了自计票机制，使得任何参与者均可独立验证选举结果，而无需依赖中心化机构。
• 通过以太坊智能合约实现投票规则的强制执行和选举生命周期的管理。
• 通过轻量级密码学操作和每位选民的最小链上存储，优化Gas效率。
• 通过密码学方式将选票与选举上下文绑定并防止篡改，确保结果正确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 去中心化的电子投票系统如何在不依赖可信权威的情况下确保选民匿名性？
• RQ2 基于区块链的系统能否在保持端到端可验证性的同时，实现高效且低成本的投票？
• RQ3 在无信任环境中如何实现自计票，以消除对第三方的依赖？
• RQ4 何种密码学机制能够在智能合约环境中实现强隐私保护且性能开销最小？
• RQ5 在以太坊上安全且可验证的电子投票协议中，Gas成本可被最小化到何种程度？

主要发现

• 所提出的系统通过将所有投票消息发布在以太坊区块链上，成功实现了端到端可验证性。
• 环签名被有效用于匿名化选民身份，同时不损害投票过程的完整性。
• 系统支持自计票，使得任何区块链参与者均可独立计算并验证最终选举结果。
• 通过优化密码学操作和最小化链上数据存储，将每位选民的Gas成本保持在较低水平。
• 通过形式化安全分析验证，即使存在恶意参与者，系统仍能保持正确性和隐私性。
• 由于其去中心化和高效的架构，该设计具有可扩展性，适用于大规模选举。