CN110232764B - 基于区块链的匿名电子投票方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区块链的匿名电子投票方法及系统，包括下述步骤：投票端将投票端身份信息和以太坊账户地址发送至注册中心，注册中心生成盲签名，并发送至投票端，投票端输出投票权限签名；投票管理端生成投票参数，将参数写入智能合约并采用交易的方法发送到区块链网络中进行信息公示，投票端获取智能合约投票内容，并将投票端选票消息以交易的形式发布到投票管理端的智能合约中，完成投票；到达设定的投票结束时间后，投票管理端采用智能合约方法，停止接收投票，统计结果。本发明的投票记录随时可查并且不可篡改，提升了投票的公平性，选票与投票端真实身份分离，实现了对投票端和投票的双重匿名保护，更好地保护了投票端的个人隐私。

Description

基于区块链的匿名电子投票方法及系统

技术领域

本发明涉及信息安全和密码学技术领域，具体涉及一种基于区块链的匿名电子投票系统及系统。

背景技术

随着计算机网络技术的发展，人们日常生活中的种种活动都逐渐电子化，投票作为集体生活中最常见的决策手段，也逐渐从传统的纸质投票转为电子投票，电子投票对比于传统纸质投票有着快捷准确，节省人力物力，简单易用等特点。但是面对复杂的网络环境时，电子投票出现了重复投票、欺诈投票、没有匿名性等新的问题。另外，在电子投票的计票过程中，由于投票发起者的权利过于集中，可能会出现投票人的投票被篡改，被冒用的情况。在统计投票结果的过程中，投票人往往只能得知最终的投票结果，自己无法对投票结果的正确性进行验证。根据投票形式、参与方、通信信道的不同，电子投票中使用的密码学协议也有很大的变化，但是这些协议方案在实现过程中都有各自的不足，其中，最为普遍的问题在于对第三方的计票机构的过度信任与依赖以及使用复杂密码学协议会造成庞大的计算开销以及繁琐的密钥管理。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种基于区块链的匿名电子投票方法及系统，引入区块链作为计票过程的“公告板”同时每个用户的投票都记录在区块链网络中，随时可查并且不可篡改，提升了投票的公平性，以及利用以太坊网络本身的特性，使得投票端的选票与其真实身份分离，实现了对投票端和投票的双重匿名保护，更好的维护了投票端的个人隐私。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种基于区块链的匿名电子投票方法，包括下述步骤：

S1：注册：投票端V_i将投票端身份信息和盲化后的以太坊账户地址addr_i发送至注册中心，注册中心进行身份信息审查后，对盲化后的以太坊账户地址addr_i进行签名生成盲签名，并返回发送至投票端，投票端对盲签名进行去盲操作后输出投票权限签名σ_i；

S2：投票：

S21：投票准备：投票管理端生成投票参数，将参数写入智能合约并采用交易的方法发送到区块链网络中进行信息公示，投票端收到投票管理端的信息，获取智能合约内容，得到公共参数g、n；

S22：投票端选择随机数R_i；

S23：投票端选择投票内容并计算出投票端选票

采用投票端私钥

对选票b_i进行签名得到选票签名

S24：投票端将投票端选票消息

以交易的形式发布到投票管理端的智能合约中，完成投票，其中

为投票端公钥；

S3：统计结果：

S31：到达设定的投票结束时间后，投票管理端停止接收投票，进行结果统计；

S32：投票端使用自身的以太坊账户addr_i将选择的随机数R_i发送到智能合约中；

S33：进行签名验证之后，得出投票结果。

作为优选的技术方案，还包括系统参数预配置步骤，具体为：

注册中心生成注册中心公私钥对(pk_ca,sk_ca)；

投票管理端、投票端根据以太坊网络需求参数，采用椭圆曲线密码学方法分别生成以太坊账户投票管理端公私钥对(pk_a,sk_a)，投票端公私钥对

采用哈希算法计算以太坊账户地址addr_i；

注册中心、投票管理端和投票端保留自身私钥，并将公钥公开。

作为优选的技术方案，步骤S1中所述盲化为：投票端在以太坊账户地址addr_i上添加盲因子进行r_i进行消息盲化，计算公式为：t＝mk^emod n；

所述注册中心采用RSA盲签名协议生成盲签名；

所述去盲操作的具体计算方式为：投票端收到注册中心返回的盲签名并通过去盲操作t^d/k mod n得到投票权限签名σ_i，计算公式为：σ_i＝m^dmod n；

其中t为隐蔽好的消息，k为投票端在1至n之间选择的随机数，m为投票端的以太坊账户地址addr_i，(e,n)为注册中心公钥，d为注册中心私钥。

作为优选的技术方案，步骤S21所述智能合约的内容包括投票管理端配置的公共参数g与n、投票开始时间T_start、投票结束时间T_end以及投票说明。

作为优选的技术方案，步骤S23中所述采用以太坊账户私钥

对选票b_i进行签名得到选票签名

所述签名的具体步骤为：

S231：选择随机数k∈(1,p-1)；

S232：计算k·G＝(x_1,y₂)并将x₁转化为整数z；

S233：计算r＝z mod p，若r＝0，跳至步骤S231；

S234：计算e＝H(mes)；

S235：计算s＝k^-1(e+sk·r)mod p；若s＝0,则跳至步骤S231；

S236：返回签名(r,s)，其中p＝2²⁵⁶-2³²-2⁹-2⁸-2⁷-2⁶-2⁴-1，mes为待签名消息，G为椭圆曲线的基底，e为签名消息的Hash值。

作为优选的技术方案，所述投票管理端停止接收投票，具体步骤为：

在智能合约中设定一个bool类型的变量，用于控制智能合约是否继续接收新的投票交易，将bool类型的变量的值设置成false，投票管理端停止接收投票。

作为优选的技术方案，步骤S33所述签名验证的具体步骤为：

采用注册中心公钥pk_ca验证投票权限签名σ_i是对以太坊账户地址addr_i的签名；

采用投票端公钥

验证选票签名

是投票端对选票b_i的签名；

采用Hash函数验证投票端的以太坊账户地址addr_i是由投票端公钥

生成。

作为优选的技术方案，所述投票权限签名σ_i和所述选票签名

的签名验证的具体步骤为：

签名验证模块接受到签名(r,s)与待签名消息mes后，计算e＝H(m)；

计算w＝s^-1mod p；

计算u₁＝ew mod p以及u₂＝rw mod p；

计算X＝u₁G+u₂·pk；

如果X＝∞，则返回“拒绝该签名”；

将X的x坐标转化为整数z，计算v＝z mod p；

比较v与r是否相等，如果相等则返回“接受该签名”，否则返回“拒绝该签名”，其中mes为待签名消息，w、u₁、u₂、X和v均为中间变量。

作为优选的技术方案，步骤S33中所述得出投票结果的具体步骤为：

比较

与

大小得出投票结果，其中Rn表示投票端选的随机数，n代表选票个数，如果超过半数选票选1，则

如果超过半数选票选0，则

本发明还提供一种基于区块链的匿名电子投票系统，包括：注册中心、投票端、投票验证模块和投票管理端；

所述注册中心设有签名注册模块，所述签名注册模块将投票端的投票端身份信息和以太坊账户地址addr_i注册生成投票权限签名σ_i；

所述投票端用于获取智能合约中的投票信息并产生投票端选票消息m_i进行投票，其中投票端选票消息m_i包括投票端选票、选票签名、投票权限签名、投票端公钥；

所述投票验证模块用于验证确认选票签名、投票权限签名和以太坊账户地址addr_i；

所述投票管理端用于生成投票信息并设置投票条件，输出投票统计结果。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明引入区块链作为计票过程的“公告板”，同时每个用户的投票都记录在区块链网络中，随时可查并且不可篡改，提升了投票的公平性。

(2)本发明通过盲签名，利用离散对数难题、数字签名等简单密码学方法，以及以太坊网络本身的特性，使得投票端的选票与其真实身份分离，实现了对投票端和投票的双重匿名保护，更好的维护了投票端的个人隐私。

(3)本发明采用的最基础密码学协议运行简单，使得投票系统计算效率高，无需复杂的密钥管理，利于推广实现。

附图说明

图1为本实施例基于区块链的匿名电子投票方法流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

本实施例提供一种基于区块链的匿名电子投票系统，包括：注册中心、投票端、投票验证模块和投票管理端；

所述注册中心设有签名注册模块，所述签名注册模块将投票端的投票端身份信息和以太坊账户地址addr_i注册生成投票权限签名σ_i；

所述投票端用于获取智能合约中的投票信息并产生投票端选票消息m_i进行投票，其中投票端选票消息m_i包括投票端选票、选票签名、投票权限签名、投票端公钥；

所述投票验证模块用于验证确认选票签名、投票权限签名和以太坊账户地址addr_i；

所述投票管理端用于生成投票信息并设置投票条件，输出投票统计结果。

在本实施例中，还提供一种基于区块链的匿名电子投票方法，包括下述步骤：

S0：选择系统参数：基于区块链的匿名电子投票系统，系统中主要角色分为三种：注册中心(CA)，投票管理端(Admin)，投票端(V_i)。根据RSA盲签名方式，在投票开始前，CA需要先生成自身的公私钥对(pk_ca,sk_ca)，投票管理端、投票端则根据以太坊网络需求的相关参数，使用椭圆曲线密码学方法分别生成一次性的以太坊账户公私钥对(pk_a,sk_a)，

通过Hash方法计算以太坊账户地址addr_i，所有实体都可以拥有以太坊账户地址，其中各用户保留自身私钥，并将公钥公开。

在本实施例中，投票流程主要包含以下步骤：

S1：注册步骤：

每个投票端V_i在使用自身真实身份信息和以太坊账户地址addr_i通过RSA盲签名协议在CA处获得一个被认证的可以参加投票的身份，同时在投票时不会暴露自身真实身份信息与addr_i之间的关系。

在本实施例中，投票端的身份信息，比如身份证号、个人照片等，用于注册中心进行实名登记审查，只有这些实名信息符合注册中心的要求，注册中心才会对被盲化了的addr_i进行签名，因此在注册步骤中，投票端发送的是盲化后的addr_i；

在本实施例中，每个投票端V_i将自身的addr_i添加一个盲因子r_i进行消息盲化，即计算t＝mk^emod n，其中t为隐蔽好的消息，k为投票端在1至n之间选择的随机数，m为投票端的以太坊账户地址addr_i，(e,n)为CA公钥，d为CA私钥；将隐蔽好的账户地址数据交给CA通过盲签名协议进行签名认证；

在本实施例中，投票端V_i收到CA返回的签名并通过去盲操作t^d/k mod n得到投票权限签名σ_i＝m^dmod n。该签名可以证明addr_i确实拥有参加投票的权限。当投票端出示被签名的消息时，CA无法将这个消息与注册的投票端身份信息相关联，从而保护投票端身份隐私。

S2：投票步骤

S21：准备阶段：

投票管理端Admin生成投票所需相关参数，包括：投票管理端配置的公共参数g与n、投票开始时间T_start、投票结束时间T_end以及投票说明，将参数写入智能合约并以交易的形式发送到区块链网络中进行相应信息的公示，并通知投票端进行投票的准备工作，其中，投票管理端配置的公共参数g与n就是利用离散对数难题保证选票机密性的关键。

在本实施例中，所述投票说明指的是该投票活动的目的以及投票的候选项，例如：投票活动目的：是否同意小明成为班长；投票候选项：1.同意，0.不同意；

在本实施例中，所述交易的形式是使用以太坊区块链平台，通过输入自己的以太坊账户，目的合约地址以及需要上传的数据，即可在该区块链平台上发起一笔交易。

在本实施例中，通过利用离散对数难题进行用户选票信息的保护，投票管理端Admin选择大整数g与n，投票开始与结束时间T_start、T_end，以及投票的相关说明写入智能合约中，并以交易的形式发送到区块链网络中，并向全网公告投票的智能合约地址；

在本实施例中，投票端V_i收到来自Admin的通知后，通过查询在以太坊网络上的智能合约，了解投票相关信息，得到公共参数g与n，以及参与投票的计算方法等信息，投票进入下一阶段。

S22：投票阶段：在规定的投票时间内，投票端V_i进行投票。

投票端V_i随机选择大整数R_i；

在本实施例中，随机数R_i可选为随机的大素数R_i，是根据离散对数难题：即使用长度至少为1024bit的二进制大素数，对于

已知A、g、n，很难求得R_i。

S23：投票端V_i选择要投票的内容(Yes/No)v_i∈{0,1}并计算

作为自己的选票，然后使用自己的以太坊账户私钥

对选票b_i进行签名得到

在本实施例中，以太坊账户的公私钥是根据椭圆曲线密码学体制生成的，即存在一条椭圆曲线y²mod p＝(x³+7)mod p，其中，

p＝2²⁵⁶-2³²-2⁹-2⁸-2⁷-2⁶-2⁴-1；

以太坊账户私钥

为一个在1到2²⁵⁶之间的随机数；以太坊账户公钥pk为

G为该椭圆曲线的基底。

本实施例给出椭圆曲线签名算法过程，签名生成的步骤如下，其中mes为待签名消息：

①选择随机数k∈(1,p-1)；

②计算k·G＝(x₁,y₂)并将x₁转化为整数z；

③计算r＝z mod p,若r＝0，跳至步骤①；

④计算e＝H(mes)；

⑤计算s＝k^-1(e+sk·r)mod p；若s＝0,则跳至步骤①；

⑥返回签名(r,s)，其中p＝2²⁵⁶-2³²-2⁹-2⁸-2⁷-2⁶-2⁴-1，mes为待签名消息，G为椭圆曲线的基底，e为签名消息的Hash值。

S24：投票端V_i将自己的选票消息

以交易的形式发布到投票管理端Admin的智能合约中，完成投票过程。

S3：统计结果：

S31：投票时间到达T_end后，投票管理端Admin调用智能合约方法，停止接收投票，投票进入统计结果阶段。

在本实施例中，智能合约在以太坊网络中是以确定性的规则运行的，在智能合约中设置一个bool类型的变量控制着智能合约是否继续接收新的投票交易，投票管理端将这个bool类型的变量的值设置成false，合约即停止接受新的投票交易。

S32：所有的投票端使用自己的以太坊账户addr_i将自己选择的随机数R_i发送到智能合约中。

在本实施例中，由于离散对数难题，不公布出R_i的话，无法进行S33步骤的比较，同时，公布出R_i使得任何人都可以通过将v_i替换为0或者1，验证选票b_i的合法性，本实施例的投票方案是只支持0，1投票的，即这个提案是否可以通过；

S33：任何对投票结果感兴趣的实体都可以对投票结果进行确认；

(1)使用pk_ca确认投票权限签名σ_i确实是对以太坊账户地址addr_i的签名；

(2)使用

确认选票签名

确实是投票端V_i对选票b_i的签名；

在本实施例中，上述签名σ_i和签名

的验证采用签名算法的验证过程，以下以消息mes为例子说明，签名σ_i和签名

验证就是将验证算法的消息mes替换为了addr_i与b_i。

签名算法的签名验证步骤如下：

①签名验证模块接受到签名(r,s)与消息mes后，计算e＝H(m)；

②计算w＝s^-1mod p；

③计算u₁＝ew mod p以及u₂＝rw mod p；

④计算X＝u₁G+u₂·pk；

⑤若X＝∞返回“拒绝该签名”；

⑥将X的x坐标转化为整数z，计算v＝z mod p；

⑦比较v与r是否相等，如果相等则返回“接受该签名”，否则返回“拒绝该签名”，其中mes为待签名消息，w、u₁、u₂、X和v均为中间变量；

(3)同时也可以通过Hash函数验证该投票端的addr_i是否是由

生成的，即验证

是否等于addr_i；

所有验证通过后即已经确认所有的选票均为合法选民投出的选票，比较

与

大小即可得出投票结果。

在本实施例中，采用0，1投票，每一个投票端v_i不是0就是1，n代表选票个数，Rn表示投票端选的随机数，每个人选到相同的随机数的几率忽略不计；选票可以看作是Rn加0或1得到，超过半数人选1(同意)则

反之，超过半数人选0(不同意)则

本实施例利用离散对数难题，使用最基础的密码承诺协议，保证了电子投票的公平性，利用盲签名保证了选民身份的匿名性，同时，这些密码学协议运行简单，使得投票系统计算效率高，便于推广实现。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于区块链的匿名电子投票方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：注册：投票端V_i将投票端身份信息和盲化后的以太坊账户地址addr_i发送至注册中心，注册中心进行身份信息审查后，对盲化后的以太坊账户地址addr_i进行签名生成盲签名，并返回发送至投票端，投票端对盲签名进行去盲操作后输出投票权限签名σ_i；

S2：投票：

S21：投票准备：投票管理端生成投票参数，将参数写入智能合约并采用交易的方法发送到区块链网络中进行信息公示，投票端收到投票管理端的信息，获取智能合约内容，得到公共参数g、n；

S22：投票端选择随机数R_i；

S23：投票端选择投票内容并计算出投票端选票

采用投票端私钥

对选票b_i进行签名得到选票签名

v_i表示投票人的选票，为数字0或者1；

S24：投票端将投票端选票消息

以交易的形式发布到投票管理端的智能合约中，完成投票，其中

为投票端公钥；

S3：统计结果：

S31：到达设定的投票结束时间后，投票管理端停止接收投票，进行结果统计；

S32：投票端使用自身的以太坊账户addr_i将选择的随机数R_i发送到智能合约中；

S33：进行签名验证之后，得出投票结果。

2.根据权利要求1所述的基于区块链的匿名电子投票方法，其特征在于，还包括系统参数预配置步骤，具体为：

注册中心生成注册中心公私钥对(pk_ca，sk_ca)；

投票管理端、投票端根据以太坊网络需求参数，采用椭圆曲线密码学方法分别生成以太坊账户投票管理端公私钥对(pk_a，sk_a)，投票端公私钥对

采用哈希算法计算以太坊账户地址addr_i；

注册中心、投票管理端和投票端保留自身私钥，并将公钥公开。

3.根据权利要求1所述的基于区块链的匿名电子投票方法，其特征在于，步骤S1中所述盲化为：投票端在以太坊账户地址addr_i上添加盲因子r_i进行消息盲化，计算公式为：t＝mk^emod n；

所述注册中心采用RSA盲签名协议生成盲签名；

所述去盲操作的具体计算方式为：投票端收到注册中心返回的盲签名并通过去盲操作t^d/k mod n得到投票权限签名σ_i，计算公式为：σ_i＝m^d mod n；

其中t为隐蔽好的消息，k为投票端在1至n之间选择的随机数，m为投票端的以太坊账户地址addr_i，(e，n)为注册中心公钥，d为注册中心私钥，n表示公共参数。

4.根据权利要求1所述的基于区块链的匿名电子投票方法，其特征在于，步骤S21所述智能合约的内容包括投票管理端配置的公共参数g与n、投票开始时间T_start、投票结束时间T_end以及投票说明。

5.根据权利要求1所述的基于区块链的匿名电子投票方法，其特征在于，步骤S23中所述采用以太坊账户私钥

对选票b_i进行签名得到选票签名

所述签名的具体步骤为：

S231：选择随机数k∈(1，p-1)；

S232：计算k·G＝(x₁，y₂)并将x₁转化为整数z；

S233：计算r＝z mod p，若r＝0，跳至步骤S231；

S234：计算e＝H(mes)；

S235：计算s＝k^-1(e+sk·r)mod p；若s＝0，则跳至步骤S231；

S236：返回签名(r，s)，其中p＝2²⁵⁶-2³²-2⁹-2⁸-2⁷-2⁶-2⁴-1，mes为待签名消息，G为椭圆曲线的基底，e为待签名消息的Hash值。

6.根据权利要求1所述的基于区块链的匿名电子投票方法，其特征在于，所述投票管理端停止接收投票，具体步骤为：

在智能合约中设定一个bool类型的变量，用于控制智能合约是否继续接收新的投票交易，将bool类型的变量的值设置成false，投票管理端停止接收投票。

7.根据权利要求1所述的基于区块链的匿名电子投票方法，其特征在于，步骤S33所述签名验证的具体步骤为：

采用注册中心公钥pk_ca验证投票权限签名σ_i是对以太坊账户地址addr_i的签名；

采用投票端公钥

验证选票签名

是投票端对选票b_i的签名；

采用Hash函数验证投票端的以太坊账户地址addr_i是由投票端公钥

生成。

8.根据权利要求7所述的基于区块链的匿名电子投票方法，其特征在于，所述投票权限签名σ_i和所述选票签名

的签名验证的具体步骤为：

签名验证模块接受到签名(r，s)与待签名消息mes后，计算e＝H(mes)；

计算w＝s^-1mod p；

计算u₁＝ew mod p以及u₂＝rw mod p；

计算X＝u₁G+u₂·pk；

如果X＝∞，则返回“拒绝该签名”；

将X的x坐标转化为整数z，计算v＝z mod p；

比较v与r是否相等，如果相等则返回“接受该签名”，否则返回“拒绝该签名”，其中mes为待签名消息，w、u₁、u₂、X和v均为中间变量，p＝2²⁵⁶-2³²-2⁹-2⁸-2⁷-2⁶-2⁴-1，G为椭圆曲线的基底。

9.一种基于区块链的匿名电子投票系统，其特征在于，包括：注册中心、投票端、投票验证模块和投票管理端；

所述注册中心设有签名注册模块，所述签名注册模块将投票端的投票端身份信息和以太坊账户地址addr_i注册生成投票权限签名σ_i；

所述投票端用于获取智能合约中的投票信息并产生投票端选票消息m_i进行投票，投票端选择随机数R_i，投票端选择投票内容并计算出投票端选票

采用投票端私钥

对选票b_i进行签名得到选票签名

v_i表示投票人的选票，为数字0或者1，g、n表示公共参数；

投票端将投票端选票消息

以交易的形式发布到投票管理端的智能合约中，完成投票，其中

为投票端公钥；

其中投票端选票消息m_i包括投票端选票、选票签名、投票权限签名、投票端公钥；

所述投票验证模块用于验证确认选票签名、投票权限签名和以太坊账户地址addr_i；

所述投票管理端用于生成投票信息并设置投票条件，输出投票统计结果。

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