CN110912705A - 一种基于区块链的分布式电子投票方法及系统 - Google Patents

一种基于区块链的分布式电子投票方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于区块链的分布式电子投票方法及系统，利用了同态签密算法对选票进行隐藏，同态签密的同态属性和聚合属性可以使选民在不泄露选票内容的情况下实现分配投票和分布式计票，同时签密属性能保障选票的机密性与可验证性。本发明基于区块链平台，选票的收集、计票过程和结果公开均在区块链系统上进行，并在投票和计票阶段增加了两轮验证，防止不诚实选民的恶意行为。此外，该投票方法可以保证投票过程高度透明、选票不可伪造篡改、不需要第三方等特性。

Description

一种基于区块链的分布式电子投票方法及系统
技术领域
本发明涉及分布式电子投票技术领域，尤其涉及一种基于区块链的分布式电子投票方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
电子投票逐渐成为主流的投票方式，但是电子投票也存在很多挑战，对电子投票也有很多的属性要求如：安全性、匿名性、合法性、公平性和可验证性等。大多数电子投票机制并不能完全满足上述所有要求，而且很少能够在满足基本属性的前提下实现高效的多候选者投票。现有技术中，许多的电子投票方案需要第三方来监督投票和计票，将会导致投票者隐私泄露，增大投票作弊的风险，存在一定的安全性问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于区块链的分布式电子投票方法及系统，将区块链和同态签密应用到分布式电子投票中，利用区块链来实现不需要第三方辅助的批量计票和批量验证。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种基于区块链的分布式电子投票方法，包括：
区块链生成公共参数，针对每一个投票者，生成唯一的密钥对；
根据接收到的投票者发出的投票指令，利用盲化因子对投票指令对应的选票进行盲化，再对盲化因子进行同态签密，将盲化的选票和签密结果以交易的形式提交给区块链，区块链对选票进行验证并公布；
对密签的选票执行解签密和计票操作，并将计票结果提交给区块链；
区块链对计票结果进行验证；
区块链对有效的计票结果进行汇总，计算出每位候选者的得票并公布结果。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的基于区块链的分布式电子投票方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的一种基于区块链的分布式电子投票方法，其中的分布式电子投票的核心思想是分配投票和分布计票，可以很好的实现隐私保护，避免泄露投票者的投票意向，同时可以对投票和计票进行公开验证和纠正，避免不诚实投票以及错误的、不完整的计票的存在。
(2)本发明的一种基于区块链的分布式电子投票方法，采用了同态签密技术对选票进行签名和加密。由于同态签密可在一个合理的逻辑步骤内同时完成签名和公钥加密，从而降低了计算和通信成本，是实现保密地传输选票的有效方法。同态签密方案应用到电子投票中能够更好的满足安全的电子投票协议的安全性要求。
(3)本发明的一种基于区块链的分布式电子投票方法，利用区块链解决了同态签名方案对第三方的依赖问题，实现了在区块链网络中不需要可信任的第三方的情况下进行电子投票，既保留了端到端的隐私，又实现了投票过程的公开化以及投票的公开可验证。
附图说明
图1是本发明实施例一中投票的系统结构图；
图2是本发明实施例一中投票的流程示意图；
图3是本发明实施例一中对等点、智能合约以及区块链分类帐之间的整体通信流程。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
同态签密方案包括签密算法、聚合算法、解签密算法和验证算法，通过对明文进行签密生成密文和消息验证码，对密文聚合并解签密实现密文状态下对明文的聚合运算，并且可以用消息验证码对聚合结果进行验证。它在功能上等价于先同态签名后同态加密，并且还可以验证计算结果的正确性。
区块链是一种链式的以时间顺序对数据区块组合的特定数据结构，使用密码学技术保证数据不可篡改、不可伪造。区块链上的交易由链上的节点共同完成,并由共识机制保证其一致性，区块链上维护一个去中心化的对任何节点可见的公共账本，从而保证交易不可伪造和篡改。智能合约是一段代码，它类似于一份基于密码学的数字化合同，它可以部署在区块链节点中，一旦某个事件触发合约中的条款，代码就会自动执行。
基于此，为了解决背景技术中存在的问题，在一个或多个实施例中，公开了一种基于区块链的分布式电子投票方法包括以下过程：
区块链生成公共参数，针对每一个投票者，生成唯一的密钥对；
根据接收到的投票者发出的投票指令，利用盲化因子对投票指令对应的选票进行盲化，再对盲化因子进行同态签密，将盲化的选票和签密结果以交易的形式提交给区块链，区块链对选票进行验证并公布；
对密签的选票执行解签密和计票操作，并将计票结果提交给区块链；
区块链对计票结果进行验证；
区块链对有效的计票结果进行汇总，计算出每位候选者的得票并公布结果。
在本发明实施方式中，投票发起者发起投票活动，将投票以智能合约的形式部署在区块链节点上，参与方在客户端向该合约发送交易参与投票，如图1所示。基于区块链和同态签密的分布式电子投票包含四个阶段分别为初始化阶段、投票阶段、计票阶段和汇总阶段，如图2所示，在投票阶段和计票阶段增加了验证部分，验证不合格的被标记“无效”的选票可以重新投。区块链中的具体操作均由智能合约执行，智能合约可以强制投票进程的执行，实现与投票者之间的交流。
假设投票有候选者w个，有m个投票人参与投票，每个投票者有K张选票。投票人限制为公共区块链网络的矿工和联盟区块链上的对等参与者。投票发起者将投票部署在承载智能合约的节点中，并定义候选者人数和每个投票者的选票数。投票者的初始状态为“诚实”，投票余额为选票数，每张选票的初始状态为“有效”。
客户端和区块链节点都配置了相关参数和密码学原语，对等点、智能合约以及区块链之间的通信流程如图3所示，投票分为初始化阶段、投票阶段、计票阶段和汇总阶段，每个阶段都设置一个时间戳，当时间截止时会进入下一阶段，防止恶意的投票者拖延时间，降低投票服务质量。
具体投票过程如下：
(1)初始化阶段
区块链调用算法Setup()，生成并公布公共参数[q(x),p,q,g,H]。
投票者Pi调用算法KeyGen()，生成自己的公私钥对(pki,ski)。每个投票者的初始选票余额为1，状态为“诚实”。
其中，区块链生成投票所用的公共参数分别为有限域Zq上的n次不可约多项式q(x)、p为一个大素数、p-1的一个大素数因子q、
Figure BDA0002273573560000051
中的q阶生成元g、单向的哈希函数
Figure BDA0002273573560000052
投票者的私钥ski为随机选择的
Figure BDA0002273573560000053
的一个生成元，公钥为
Figure BDA0002273573560000054
(2)投票阶段
投票者投票并用盲化因子对选票加密，在对盲化因子进行同态签密，将加密得选票和签密结果发送给区块链，区块链对选票进行验证和公布。
选民投出的选择候选者j的选票格式为v(i,k)＝mj(1≤j≤w)，其中m为投票人数。
投票者Pi为每张选票Ballot(i,k)(1≤k≤K)选择一个候选者j(1≤j≤w)，计算v(i,k)＝mj，任意选择的随机数b(i,k)作为盲化因子，对v(i,k)盲化得：
V(i,k)＝(v(i,k)+b(i,k))modp。
对每个盲化因子b(i,k)同态签密：投票者任意选择的一个投票者的公钥(该公钥未被选中过且不是投票者本人的公钥)对盲化因子执行同态签密方案的签密算法，并用自己的私钥计算消息验证码；
具体地，首先投票者Pi随机选择
Figure BDA0002273573560000061
再任意选一个其他的未被选择过的投票者Pl(1≤l≤m，l≠i)的公钥pkl计算
Figure BDA0002273573560000062
Figure BDA0002273573560000063
加密盲化因子c(i,k)＝b(i,k)+ki1mod q，计算消息认证码h(i,k)＝b(i,k)xnmod q(x)，t(i,k)＝h(qi,k)+k(i2,k)(mod q)，辅助验证码s(i,k)＝t(i,k)/(t(i,k)+sk(i,k))mod q。
投票者向区块链提交包含(i,[Ballot(i,k)＝(V(i,k),l)],c(i,k),t(i,k),s(i,k))的投票交易，区块链将每个投票交易记录在分类账中。
(3)选票验证
对于每一个有Ballot(i,1),Ballot(i,2),…,Ballot(i,K)的投票交易，区块链检验如果投票者Pi的选票余额是1，且Ballot(i,1),Ballot(i,2),…,Ballot(i,K)中的包含l互不相同，则将选票余额改0，每个选票初始状态为“有效”。
(4)计票阶段
同态签密和解签密为同态签密方案的两个部分。对盲化选票的盲化因子进行同态签密生成密文和验证码，解签密前要对密文聚合，然后用验证码对解签密的聚合结果进行验证，检验对盲化因子的聚合是否正确。计票结果就是用聚合的盲化选票减去聚合的盲化因子得到的结果。
投票者Pi对所有由他的公钥签密的选票Ballot(l,k)＝(V(l,k),i)进行计票，计算加密得选票聚合结果SVi，解签密对相应的(c(l,k),t(l,k),s(l,k))得到盲化因子聚合结果Bi，两个聚合结果相减得到计票结果SUMi。
具体地，投票者Pi对每个由他的公钥签密的选票Ballot(l,k)＝(V(l,k),i)计票
并解签密对应的(c(l,k),t(l,k),s(l,k))，具体步骤为：
令SVi＝0,Ci＝0,Ti＝0,k1i＝0,k2i＝0，计算
SVi＝SVi+V(l,k)，Ci＝Ci+c(l,k)，Ti＝Ti+t(l,k)，
Figure BDA0002273573560000071
Figure BDA0002273573560000072
k1i＝k1i+k′(l1,k),k2i＝k2i+k′(l2,k)
则盲化因子聚合后的明文为Bi＝Ci-k1i，计票结果为SUMi＝SVi-Bi。
向区块链提交包含(SUMi,Vi,Bi,Ci,Ti)的计票交易Tally(Pi)。区块链将Tally(Pi)记录到分类账中公开。
(5)计票验证
对于每个记录到分类账中的计票交易Tally(Pi)，检验Pi的计票是否正确，具体为：
首先验证SVi是否计算正确，然后区块链根据(i,[Ballot(i,k)＝(V(i,k),l)],c(i,k),t(i,k),s(i,k))和(SUMi,Vi,Bi,Ci,Ti)计算k′(l2,k)和k2i，验证等式Ti＝(Bimodq)xnmodq(x)+k2i是否成立，若不成立，则投票者没有完整计票或者计票错误，则视为不诚实的。
不诚实的投票者的状态要改为“不诚实”，生成一个记录不诚实投票者的名单，记录所有不诚实的投票者。他计票的选票状态都改为“无效”，并在投票阶段结束前重复投票阶段，对无效选票进行重新投票，没有替换的选票视为弃权，不诚实的投票者不允许再次投票。
(6)汇总阶段
合计所有诚实的投票者的计票结果
Figure BDA0002273573560000082
计算每位候选者的得票βw,βw-1,…,β1，公布SUM和βw,βw-1,…,β1。
每个候选者的的得票结果的计算公式为：
Figure BDA0002273573560000081
βw,βw-1,…,β1为每个候选者的的票，候选者j的票数为βj,1≤j≤w。
本发明将区块链和同态签密应用到分布式电子投票中，实现不需要第三方辅助的批量计票和批量验证。同态签密的签密属性和同态属性可以在计票阶段同时保障选票的机密性与可验证性，且降低计算与通信成本。区块链可以作为公共公告板来展示投票过程和结果，实现投票的高度透明，并且区块链可解决同态签密方案过度依赖第三方的问题。分布式电子投票可以更好的保护选民隐私，同时实现公开可验证和隐私保护。本发明中参与投票的投票者为区块链上经过验证审核的对等体，投票者都已经得到了底层网络的认证，可以防止Sybil攻击。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行实施例一中所述的基于区块链的分布式电子投票方法。
在另一些实施方式中，公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行实施例一中所述的基于区块链的分布式电子投票方法。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于区块链的分布式电子投票方法，其特征在于，包括：
区块链生成公共参数，针对每一个投票者，生成唯一的密钥对；
根据接收到的投票者发出的投票指令，利用盲化因子对投票指令对应的选票进行盲化，再对盲化因子进行同态签密，将盲化的选票和签密结果以交易的形式提交给区块链，区块链对选票进行验证并公布；
对密签的选票执行解签密和计票操作，并将计票结果提交给区块链；
区块链对计票结果进行验证；
区块链对有效的计票结果进行汇总，计算出每位候选者的得票并公布结果。
2.如权利要求1所述的一种基于区块链的分布式电子投票方法，其特征在于，区块链生成公共参数，针对每一个投票者，生成唯一的密钥对，具体为：
区块链执行Setup()算法，输出公共参数[q(x),p,q,g,H]；其中，定义多项式q(x)为有限域Zq上的n次不可约多项式，p为一个大素数，q为p-1的大素数因子，g是
Figure FDA0002273573550000011
中的q阶生成元，定义单向的哈希函数H:
Figure FDA0002273573550000012
执行KeyGen()算法生成投票指令的公私钥对(pki,ski)，其中，ski为私钥，为随机选择的
Figure FDA0002273573550000013
的一个生成元；pki为公钥，且
Figure FDA0002273573550000014
3.如权利要求1所述的一种基于区块链的分布式电子投票方法，其特征在于，利用盲化因子对选票进行盲化，具体为：
盲化因子为任意选择的随机数b(i,k)，盲化操作为：
V(i,k)＝(v(i,k)+b(i,k))modp；
其中，v(i,k)为选票格式。
4.如权利要求1所述的一种基于区块链的分布式电子投票方法，其特征在于，所述区块链对选票进行验证并公布，具体为：
检验发出投票指令的投票者是否还有投票余额，然后检验投票指令对应的选票是否合法。
5.如权利要求1所述的一种基于区块链的分布式电子投票方法，其特征在于，对盲化因子进行同态签密，具体为：
盲化因子同态签密的公钥为投票者随机选择的其他投票者的公钥。
6.如权利要求1所述的一种基于区块链的分布式电子投票方法，其特征在于，所述选票格式为：
v(i,k)＝mj(1≤j≤w)
其中，j为候选者，m为投票人数；w为候选者总数。
7.如权利要求1所述的一种基于区块链的分布式电子投票方法，其特征在于，对盲化选票的盲化因子进行同态签密生成密文和验证码，解签密前要对密文聚合，然后用验证码对解签密的聚合结果进行验证，检验对盲化因子的聚合是否正确；计票结果就是用聚合的盲化选票减去聚合的盲化因子得到的结果。
8.如权利要求1所述的一种基于区块链的分布式电子投票方法，其特征在于，区块链对计票结果进行验证，具体为：
验证解签密是否正确，聚合消息是否具有完整性；对计票验证不合格的，将发出投票指令的投票者视为不诚实，由该投票者投出的选票均视为无效。
9.如权利要求1所述的一种基于区块链的分布式电子投票方法，其特征在于，区块链对有效的计票结果进行汇总，具体为：
将验证有效的计票结果相加，每个候选者的得票结果的计算公式为：
Figure FDA0002273573550000021
βw,βw-1,…,β1为每个候选者的票，m为投票人数，候选者j的票数为βj,1≤j≤w。
10.一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-9任一项所述的基于区块链的分布式电子投票方法。
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