CN103903325A - 一种基于身份签名的安全电子投票系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于身份签名的安全电子投票系统，包括注册机构，公证机构，选民，验票中心和机票中心，所述投票系统包括基于身份的签名方案、矩阵同态加密方案、矩阵全同态加密方案以及矩阵委托计算方案，包括以下步骤：公正机构选举前的一系列初始化工作；选民完成投票的一系列操作；计票机构验票并统计选票；公证机构解密统计结果并公布选举结果。采用本发明技术方案，首先本电子投票方案是一个安全的电子投票方案，其次是选票大小可自由确定、可以用于大规模的网络投票选举，还有就是选举的各个环节更加公开透明。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子投票方案，具体涉及一种基于身份签名的安全电子投票系统。
背景技术
安全公正的选举对于社会现代化和民主发展的作用不可小觑。传统的人工投票选举方式有其局限性，需要耗费大量时间、人力、物力,还缺乏安全保障，而计算机网络快捷便利，且网络应用已经渗透到生活的各个领域，如远程教育、电子银行、电子购物等，因此电子投票方案便应运而生。
目前主流的电子投票方案主要基于同态加密技术、混合网技术以及盲签名技术。存在的缺陷主要有：基于同态加密技术的电子投票方案验票过程比较复杂，通常选择特殊同态加密方案，且仅能够表示赞成和反对两种状态，无法直接统计第三种状态——弃权。使用盲签名技术设计的电子投票方案，虽然达到了混淆的目的，即无法得知选票与选民之间的对应关系，而在互联网环境下进行投票选举是需要验证选票与选民之间关系的，即选票需要有身份信息。为了解决上述问题，本发明主要使用矩阵同态加密、矩阵全同态加密以及基于身份签名的技术，设计了一种安全的电子投票方案。该发明可以在互联网环境下进行安全高效的投票选举。本方案解决的主要问题为：一是可以保证选民所投的选票具有身份信息。二是选票使用同态加密方案进行加密，保证了选票内容信息的安全性。三是验票中心可以很方便地验证选民所投选票的合法性。四是选票虽然有身份标记，但由于使用同态加密技术，第三方仍无法得知选票的具体信息。还有就是计票机构可以直接对选票进行累加统计,也可以外包出去进行统计。
发明内容
为克服现有技术中的不足，本发明提供一种基于身份签名的安全电子投票系统。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于身份签名的安全电子投票系统，包括注册机构，公证机构，选民，验票中心和机票中心，所述投票系统包括基于身份的签名方案 
、矩阵同态加密方案
、矩阵全同态加密方案
以及矩阵委托计算方案
，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）所述公正机构选举前的一系列初始化工作；所述公正机构需要公布候选人、生成矩阵同态加密所需的密钥对、公布矩阵同态加密方案的公钥及加密算法、公布选票模板、公布合法的验票中心及计票机构；
步骤2）所述注册机构完成选民和验票中心的注册；所述注册机构对所述选民和所述验票中心的身份的合法性进行验证，并登记已注册的所述选民，同时给合法的所述选民分发密钥对；
步骤3）所述选民完成投票一系列操作；具体包括：注册、选票生成、选票全同态加密、选票委托加密、选票加密正确性验证以及对选票进行签名，最终再将加密和签名的选票投递出去；
步骤4）所述计票机构验票并统计选票；所述计票机构在收到选民投递的选票后，要对选票身份的合法性和选票内容合法性进行验证，最后还要完成票据的统计工作；
步骤5）所述公证机构解密统计结果并公布选举结果；所述公证机构最后要做的事包括：首先，对统计结果进行解密；其次，是验证统计结果的正确性；最后，公布选举结果。
进一步的，所述矩阵委托计算方案
主要用到的是矩阵集合求和外包计算，即有一矩阵集合
，现将对集合
求和的任务外包给网络上其他计算者计算，最终通过各种验证方法验证返回的结果
是否与
相等，若相等则接受计算结果，否则丢弃。在此可以利用将同一个任务交由多个计算者去完成。若他们无法共谋攻击，同时计算结果是相等的，则接受计算结果。可以使用这种方案进行外包计算，当然也可以使用其他方案。
优选的，所述公证机构的职能为：公布候选人名单
、选票模板
及选票合法值范围、选票映射方案
，运行矩阵同态加密方案密钥生成算法，产生密钥对
，并公布公钥
以及使用私钥
对统计结果
进行解密，得
；验证选票总数；公布选举结果。
进一步的，所述选民的职能为：具备选举资格的选民
到注册机构完成注册，获得选举所需的信息
；选民提供身份信息，申领密钥对
；选民
生成选票
，并将选票交由验票中心验证，验票通过后，选民与验票中心交互，选民得到合法的选票；选民
使用私钥
将选票签名，得
，最终生成合法选票；选民
将选票
发送给计票中心。
进一步的，所述注册机构的职能为：验证选民的合法性，记录选民的身份信息，生成用于签名的密钥对。
进一步的，所述验票中心的职能为：验证选民发过来的选票
的合法性；完成对选民的选票
加密运算，得选票
；对选票
进行签名，得
，最终将选票发送给选民。
进一步的，计票中心的职能为：验证选民选票的合法性，包括验证选民身份的合法性以及选票的合法性；对合法选票进行统计，得到所有的选票统计结果
，这里统计选票有两种方法，可以本地计算，也可以将计算委托出去，增加选票统计的公开性；将统计结果
发送给公证机构。
本发明的有益效果：
1.选票可以对多个候选人同时进行投票选举。即一张选票上面可以对多个候选人的选举情况进行表示。
2.被签名的选票，可以通过候选人的身份信息进行验证。基于身份的签名方案中的公钥就是选民的身份信息，使用这种方法进行验证，简单明了。
3.选票内容与选民身份无关联性。由于使用了同态加密方案对选票信息进行了加密，故第三方无法得知选票内容与选民身份的关联性，即虽然知道选票对应的选民，也无法知道选民所投票的内容。
4．可以公开统计选票，一方面增加选票统计的公开性、透明性和安全性，另一方面也可以减轻个别服务器的负担。选票统计可以本地统计计算，也可以将此任务委托出去交由第三方进行统计。
5.可以用于分散式、大规模的选举场合。本发明可以进行分布式选举，即可以有多个验票中心和多个计票中心，多个计票中心最终再将统计结果交由上层中心再统计。
具体为：首先本电子投票方案是一个安全的电子投票方案，其次是选票大小可自由确定、可以用于大规模的网络投票选举，还有就是选举的各个环节更加公开透明。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是电子投票方案总体流程图；
图2是公证机构操作流程图；
图3是选民操作流程图及实例 ；
图4是计票机构操作流程图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
如图1所示，一种基于身份签名的安全电子投票系统，包括注册机构，公证机构，选民，验票中心和机票中心，所述投票系统包括基于身份的签名方案
、矩阵同态加密方案
、矩阵全同态加密方案以及矩阵委托计算方案
，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）所述公正机构选举前的一系列初始化工作；所述公正机构需要公布候选人、生成矩阵同态加密所需的密钥对、公布矩阵同态加密方案的公钥及加密算法、公布选票模板、公布合法的验票中心及计票机构，各项工作如下：
（1）公布候选人：所述公正机构公布候选人的名单
，参见图2，候选人21；
（2）生成矩阵同态加密方案一密钥对：所述公证机构运行矩阵同态加密密钥生成算法，得密钥对
，参见图2，密钥对22；
（3）公布矩阵同态加密算法及公钥：所述公证机构公布加密算法以及公钥
，参见图2，加密算法及公钥23；
（4）公布选票模板：所述公证机构公布选票模板
，选票模板是一个
的矩阵，指定各候选人在模板中的位置；参见图2，模板及候选人在模板中对应位置23；
（5）公布合法的验票中心和计票机构：所述公证机构公布合法的所述验票中心和所述计票机构，参见图2，合法的验票和计票机构23；
步骤2）所述注册机构完成所述选民和所述验票中心的注册；所述注册机构对选民和验票中心的身份的合法性进行验证，并登记已注册的所述选民，同时给合法的所述选民分发密钥对；
步骤3）所述选民完成投票一系列操作；具体包括：注册、选票生成、选票全同态加密、选票委托加密、选票加密正确性验证以及对选票进行签名，最终再将加密和签名的选票投递出去；各项操作详细如下：
（1）注册；所述选民到所述注册机构进行注册，所述选民向所述注册机构提供身份信息，在通过身份合法性验证后，获得所述注册机构分发的密钥对
，参见图3，获得身份验证和签名密钥对31；
（2）选票生成；所述选民根据所述公证机构公布的候选人和选票模板信息，填写选票，并对模板剩余的部分均匀地使用赞成、反对和弃权进行填充；赞成、反对和弃权可用整数
、1和0表示，其中
表示k个0；这样一张选票最终是用一个随机的整数矩阵
表示；参见图3，32表示了一个生成好的5×5选票实例；在此假设所述选民个数不超过1000，故取四位整数1000表示赞成；
（3）对选票进行矩阵全同态加密；具体包含下列几个步骤：
a)密钥生成；所述选民运行矩阵全同态加密方案的密钥生成算法，得密钥，其中矩阵
的每行仅有一个整数1，其他均为0，且是可逆矩阵，参见图3,33为生成好的5×5密钥；
b)对选票进行加密；所述选民运行矩阵全同态加密算法，产生密文；密文
；参见图3,34为加密后的选票。
（4）选票委托加密；所述选民将选票
发送至任意一个合法的所述验票中心，以完成对选票的验证和加密，得到所述验票中心的授权；详细过程如下：
a)验票；所述选民将选票发送给其中的一个合法的所述验票中心，所述验票中心首先验证矩阵
中的元素值是否都是合法的值，即所有的值都是表示赞成、反对或弃权中的一个；若通过验票则进入b），否则结束。
b)加密；为了方便讨论，在此可以假设所述验票中心是诚实的。因为即使所述验票中心是恶意的，他能够作弊的概率仅
，
为候选人的个数。若所述验票中心存在恶意的情况，可以使用矩阵运算委托计算方案进行验证；所述验票中心使用所述公证机构公布的公钥
，并运行矩阵同态加密方案对
进行加密，得，参见图3,35为一个实例，图中
表示密文、表示签名；
c)授权；所述验票中心使用所述注册机构分发的基于身份签名的私钥对
进行签名，得
，最终将加密后的选票
发送给所述选民；这样所述选民便得到了一张所述验票中心授权的选票，即这张选票通过了所述验票中心的验证并加密，参见图3，35中的
即为授权信息；
（5）选民验证选票；所述选民收到
后，使用该所述验证机构的公钥对选票进行验证；所述选民运行基于身份签名的验证算法，若通过验证，则接受该选票；
（6）选票还原及签名；所述选民运行矩阵全同态解密算法，把矩阵元素还原到选票模板状态，然后再对还原后的选票进行签名；详细过程如下：
a)选票还原；所述选民运行矩阵全同态解密算法，对
进行解密，得
，参见图3,36即为还原后的选票。
b)选民签名；所述选民运行基于身份的签名算法，得
，最终生成带签名的选票
；参见图3,36即为选民签名后的选票实例。
（7）投票；所述选民将选票
投送到合法的计票中心。
步骤4）所述计票机构验票并统计选票；所述计票机构在收到所述选民投递的选票后，要对选票身份的合法性和选票内容合法性进行验证，最后还要完成票据的统计工作；具体如下：
（1）选票身份合法性验证；所述计票机构收到选票
，利用投票人的身份
首先查询是不是已注册用户，若是，再对签名信息
进行验证；所述计票机构运行基于身份签名的验证算法，若
，则可以认定选票是合法的所述选民投递，进入操作（2），否则结束操作，参见图4，41为计票机构验证选民身份示例；
（2）选票内容合法性验证；所述计票机构运行基于身份的签名算法，若，则可以认定选票的内容是经过合法的所述验票中心验证的，即内容满足合法性的要求，保留选票内容
，否则丢弃选票。参见图4，42为选票内容合法验证示例；
（3）统计选票；所述计票中心统计选票有两种方法，可以本地统计选票，也可以将统计运算委托出去，以达到增加公开性和透明性效果；具体如下:
a)本地统计；所述计票机构将所有已通过验证的选票
进行累加，即矩阵相加。得到统计结果
，
为已收到选票的票数。参见图4，43为本地统计
b)外包统计；所述计票机构可以通过一种委托计算算法，将选票内容集合{}发送给网络上其他服务器协助计算，并得到最终的统计结果
。其中的一种方案是将
发送给N个服务器，N个服务器返回N个结果，若结果都一样，则接受计算结果，否则重新外包计算；参见图4，44为外包统计。
c)将统计结果
发送给所述公证机构；
步骤5）所述公证机构解密统计结果并公布选举结果；所述公证机构最后要做的事包括：首先，对统计结果进行解密；其次，是验证统计结果的正确性；最后，公布选举结果；详细如下：
（1）解密统计结果；所述公证机构运行矩阵同态加密方案解密算法，得解密结果
；
（2）验证统计结果的正确性；检查矩阵里面的元素，通过数学的方法检验统计结果是否正确，具体包括选票数和投票人数目是否一致，赞成、反对和弃权票数总和与投票人总数是否相等；若通过此验证，则进入操作（3）；
（3）公开统计结果；将得票最多的或前几位统计结果公布于众。
进一步的，所述矩阵委托计算方案
主要用到的是矩阵集合求和外包计算，即有一矩阵集合
，现将对集合求和的任务外包给网络上其他计算者计算，最终通过各种验证方法验证返回的结果是否与
相等，若相等则接受计算结果，否则丢弃。在此可以利用将同一个任务交由多个计算者去完成。若他们无法共谋攻击，同时计算结果是相等的，则接受计算结果。可以使用这种方案进行外包计算，当然也可以使用其他方案
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于身份签名的安全电子投票系统，包括注册机构，公证机构，选民，验票中心和机票中心，所述投票系统包括基于身份的签名方案 
、矩阵同态加密方案
、矩阵全同态加密方案
以及矩阵委托计算方案
，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）所述公正机构选举前的一系列初始化工作；所述公正机构需要公布候选人、生成矩阵同态加密所需的密钥对、公布矩阵同态加密方案的公钥及加密算法、公布选票模板、公布合法的验票中心及计票机构；
步骤2）所述注册机构完成选民和验票中心的注册；所述注册机构对所述选民和所述验票中心的身份的合法性进行验证，并登记已注册的所述选民，同时给合法的所述选民分发密钥对；
步骤3）所述选民完成投票一系列操作；具体包括：注册、选票生成、选票全同态加密、选票委托加密、选票加密正确性验证以及对选票进行签名，最终再将加密和签名的选票投递出去；
步骤4）所述计票机构验票并统计选票；所述计票机构在收到选民投递的选票后，要对选票身份的合法性和选票内容合法性进行验证，最后还要完成票据的统计工作；
步骤5）所述公证机构解密统计结果并公布选举结果；所述公证机构最后要做的事包括：首先，对统计结果进行解密；其次，是验证统计结果的正确性；最后，公布选举结果。
2.根据权利要求1所述的基于身份签名的安全电子投票系统，其特征在于，所述矩阵委托计算方案
主要用到的是矩阵集合求和外包计算，即有一矩阵集合，现将对集合求和的任务外包给网络上其他计算者计算，最终通过各种验证方法验证返回的结果
是否与
相等，若相等则接受计算结果，否则丢弃，在此可以利用将同一个任务交由多个计算者去完成，若他们无法共谋攻击，同时计算结果是相等的，则接受计算结果，可以使用这种方案进行外包计算，当然也可以使用其他方案。
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