CN112995136A - 一种基于联盟链的k-out-of-m匿名投票方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于联盟链的k‑out‑of‑m匿名投票方法，该方法包括：投票管理者将每位投票者的身份信息发送给认证中心CA进行身份注册，注册后激励智能合约生成每位投票者的密钥匹配元素，通知投票者获取自己的签名公钥、签名私钥和同态加密公钥；认证中心CA根据同态加密算法BGV生成用于投票的同态加密公私钥对，将同态加密私钥发送给智能合约的计票中心，计票中心判断认证是否成功；投票者通过智能合约进行合法性签名验证，若合法性签名正确，则生成投票记录表，同时将投票者的合法性签名公布到区块链上；智能合约的计票中心按照既定规则，验证选票合法性，若选票合法，则累加合法的同态密文，对同态密文进行解密后公示，并发布到区块链上。

Description

一种基于联盟链的k-out-of-m匿名投票方法

技术领域

本发明涉及区块链中的密码学技术领域，具体来说，涉及一种基于联盟链的k-out-of-m匿名投票方法。

背景技术

投票是现代民主社会的一种重要的民主活动，它能够充分发挥公民的选举权与被选举权，切实维护人民的利益，传统的投票方式是纸投票，然后再公开进行点票、唱票，然而传统投票并不能完全实现公平公正，会由于人为失误、投票丢失等原因造成最后的结果不可信，随着信息科学技术的进步，电子投票应运而生，它是一种综合各种密码学知识的应用，涉及到公钥加密体制、数字签名、同态加密、零知识证明等多个方面，因其安全、高效、可信等特点，可以实现公平、公正和公开的投票选举功能，相比传统纸质投票，电子投票在计票准确性、人力成本与实现范围方面都有明显优势。

电子投票的概念在1981年首次由Chaum提出，根据底层的密码学技术，当前的电子投票方案主要分为3类：基于混合网络协议的电子投票方案、基于盲签名/环签名的电子投票方案、基于全同态加密的电子投票方案；其中，全同态加密能够实现在密文上的任意计算，具体来说就是在无需解密密钥的情况下，对密文做任意计算，解密之后对明文做相同的操作，第一个真正的全同态加密方案在2009年由Gentry提出，随及引发了全同态加密研究的热潮，经过近十年的不断优化，全同态加密的效率得到很大提高，在某些场景下可以实用化；N.P.Smart and F.Vercauteren在2010年提出了单指令多数据(Single InstructionMultiple Data,SIMD)技术，利用CRT定理将明文空间划分为几个“明文槽”，将多个数据编码成一个明文消息，进而加密为一个打包的密文，同步地对每个数据进行同态操作，2013年Halevi等人公开了实现BGV方案的函数库HElib，HElib是使用C++编写的同态加密函数库，着重聚焦使用SV密文封装技术和GHS优化算法，2018年3月，IBM发布了新版本HElib同态加密库，效率提升了15～75倍。

区块链是随着比特币数字加密货币而兴起的一种全新技术，本质是一个点对点网络的分布式账本数据库，通过建立一个共同维护且不可篡改的数据库来记录过去的所有交易，所有的区块链节点都可以通过智能合约、点对点记账、数字加密方式达成共识，而不需要任何中央信任机构，联盟链是一种具有身份准入机制的区块链，一个节点必须经过身份认证才能加入条链中，通常由认证中心CA为节点颁发证书。

智能合约是运行在区块链上的、实现特定交易功能的一段程序，它本身是一个系统参与者，对接收到的信息进行回应，可以接收和储存价值，也可以向外发送信息和价值，这个程序就像一个可以被信任的人，可以临时保管资产，总是按照事先的规则执行操作，智能合约的代码和状态是公开的，联盟链上的用户可以对代码功能进行审核，联盟链中的智能合约语言具有图灵完备性，并可与联盟链外数据进行交互，智能合约一旦被部署到联盟链上，就会一直运行且不可篡改。

电子选举是对传统选举的扩充，分为“两选一”、“多选一”和“多选多”等几种方式，电子选举方案至少应该达到实际选举同样的安全性，即满足选民身份的合法性、投票的秘密性、计票的完整性、选举结果的可验证性等基本要求，当前的电子投票方案大多是针对“两选一”、“多选一”，而现实生活中经常需要“多选多(k-out-of-m)”的选举方式，即从m个候选人选举出k人，每个选举人可以选出最多k个人，然后对他们每个人投一票。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种基于联盟链的k-out-of-m匿名投票方法，能够利用全同态加密方式，对每位候选者的投票信息封装在明文槽内，利用同态密文的打包技术实现了多选多的并行投票。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于联盟链的k-out-of-m匿名投票方法，该方法包括以下步骤：

S1系统初始化，投票管理者将每位投票者的身份信息发送给认证中心CA进行身份注册，注册后激励智能合约生成每位投票者的密钥匹配元素，通知投票者获取自己的签名公钥、签名私钥和同态加密公钥；

S2投票者注册，认证中心CA根据同态加密算法BGV生成用于投票的同态加密公私钥对，将同态加密私钥发送给智能合约的计票中心，计票中心判断认证是否成功；

S3生成投票，投票者通过智能合约进行合法性签名验证，若合法性签名正确，则生成投票记录表，若判定不正确，则发送警告，同时将投票者的合法性签名公布到区块链上；

S4计票，智能合约的计票中心按照既定规则，验证选票合法性，若选票合法，则累加合法的同态密文，对同态密文进行解密后公示，并发布到区块链上，若选票不合法，则丢弃选票。

进一步地，所述S1系统初始化进一步包含：

S1.1投票管理者设置待决议问题，公布候选人基本信息；

S1.2根据选举周期设计各时间节点参数，规划投票进程；

S1.3设置完成后，公布节点参数，激励智能合约，通知投票者开始注册，通知智能合约进行注册。

进一步地，所述S2投票人注册进一步包含：

S2.1认证中心CA根据同态加密算法BGV中的密钥生成算法以及候选人的数量来生成用于投票的同态加密公私钥对，将私钥发送给智能合约的计票中心；

S2.2认证中心CA向智能合约发送同态加密公私钥对，生成投票记录表，该表由投票证书和投票标注位组成，用于记录投票者的投票情况；

S2.3投票者使用身份信息运用认证中心CA进行身份注册，认证中心CA根据投票者递交的身份信息验证投票者是否有投票权以及是否为首次投票，若验证通过，则计票中心向投票者发送唯一身份标识、同态加密公私钥对、同态加密公钥。

进一步地，所述S3生成投票进一步包含：

S3.1将每个投票者对应所有候选者的投票信息打包成为一个明文消息，利用同态加密算法BGV支持的SIMD技术，然后加密为一个同态密文；

S3.2投票者使用签名私钥对自己的选票生成投票者效验签名，将效验签名和选票一起发送到智能合约进行验证；

S3.3智能合约验证选票的投票证书合法性，若投票证书合法，则对投票证书签名，并记录在投票记录表中，修改投票标注位，若投票证书非法，则拒绝对投票证书签名并发出警告。

进一步地，所述S3.1中同态密文进一步包含：

S3.1.1从m个候选者Cm选出k个人，将明文槽相应的位置设置为1，不选择的候选者位置设置为0，利用同态加密算法BGV支持的SIMD技术，加密一个同态密文，设定

代表投票者V_i的选票同态密文形式，Enc_pk代表同态密文公钥，message_i代表对第i个候选者的意愿，若message_i＝0表示不选，若message_i＝1表示不选，则选票同态密文形式为：

进一步地，所述S4计票进一步包含：

S4.1待投票截止后，计票中心公示所有获得的选票,并根据智能合约的同态加密公钥验证签名的合法性,将不合法的选票丢弃；

S4.2选择所有合法性选票中的同态密文，进行同态密文累加；

S4.3智能合约利用同态加密算法BGV解密最终结果，由于同态加密算法BGV支持SIMD技术操作，因此同态密文累加结果解密后对应每位候选人的投票结果，将候选人的投票结果和所有合法的投票再次发送到链上公示。

进一步地，所述S4.2同态密文累加进一步包含：

S4.2.1设定

代表投票人V_i的选票同态密文形式，Csum代表最终的同态密文累加，即合法的所有投票者对所有候选者的全部意愿表示为：

本发明的有益效果：鉴于现有技术中存在的不足，本申请具有如下有益效果：

首先，者根据投票目标，公布候选人名单基本信息，设置投票的开始和结束时间参数，然后认证中心CA对投票者进行身份认证，向合法的投票者发放证书、签名密钥对、同态加密公钥pk，向智能合约发送签名公私钥对,通过智能合约计票中心进行同态加密私钥累加，经过认证的用户按照自己的意愿，从m个候选者Cm选出k个人，利用BGV的SIMD技术，将选票内容加密为一个同态密文，用户对密文做签名，发送至智能合约，智能合约验证投票者的身份合法性，当投票时间截止后，管理合约将投票记录表公布到区块链，最后，智能合约自动验证所有选票的合法性，然后将取出的合法选票的同态密文，自动累加所有密文计票，解密最终密文并公示投票结果。

其次，联盟链采用Hyperledger Fabric，认证中心CA通过Fabric网络与投票者和智能合约进行通信，投票者向智能合约发送申请、投票等参数信息，智能合约接收到参数后自动执行相应的业务逻辑，并将执行结果写入区块链的账本中。

最后，投票者利用全同态加密方式，对每位候选者的投票信息封装在明文槽内，利用同态密文的打包技术实现了多选多k-out-of-m的并行投票，然后智能合约按照预先设计好的程序，对选举投票结果的密文进行累加，将解密累加的最终同态密文公示，得到所有投票人对每位候选者的最终投票结果，实现了投票人的匿名投票。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的基于联盟链的k-out-of-m匿名投票方法流程框图；

图2是根据本发明实施例所述的基于联盟链的k-out-of-m匿名投票方法投票者选票意愿结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，根据本发明实施例所述的基于联盟链的k-out-of-m匿名投票方法，该方法如图一流程步骤所示：

步骤一，系统初始化，投票管理者将每位投票者的身份信息发送给认证中心CA进行身份注册，注册后激励智能合约生成每位投票者的密钥匹配元素，通知投票者获取自己的签名公钥、签名私钥和同态加密公钥，进一步包含：投票管理者设置待决议问题，公布候选人基本信息，根据选举周期设计各时间节点参数，规划投票进程，设置完成后，公布节点参数，激励智能合约，通知投票者开始注册，通知智能合约进行注册。

步骤二，投票者注册，认证中心CA根据同态加密算法BGV生成用于投票的同态加密公私钥对，将同态加密私钥发送给智能合约的计票中心，计票中心判断认证是否成功，进一步包含：

认证中心CA根据同态加密算法BGV中的密钥生成算法以及候选人的数量来生成用于投票的同态加密公私钥对，将私钥发送给智能合约的计票中心；认证中心CA向智能合约发送同态加密公私钥对，生成投票记录表，该表由投票证书和投票标注位组成，用于记录投票者的投票情况；投票者使用身份信息运用认证中心CA进行身份注册，认证中心CA根据投票者递交的身份信息验证投票者是否有投票权以及是否为首次投票，若验证通过，则计票中心向投票者发送唯一身份标识、同态加密公私钥对、同态加密公钥，注册阶段应在规定时间内完成，超时无效。

步骤三，生成投票，投票者通过智能合约进行合法性签名验证，若合法性签名正确，则生成投票记录表，若判定不正确，则发送警告，同时将投票者的合法性签名公布到区块链上，进一步包含：

有投票权的投票者根据自己的意愿进行投票，从m个候选者Cm选出k个人，将明文槽相应的位置设置为1，不选择的候选者位置设置为0，利用同态加密算法BGV支持的SIMD技术，加密一个同态密文，设定

代表投票者V_i的选票同态密文形式，Enc_pk代表同态密文公钥，message_i代表对第i个候选者的意愿，若message_i＝0表示不选，若message_i＝1表示不选，则选票同态密文形式为：

投票者使用签名私钥对自己的选票生成投票者效验签名

将效验签名

和选票一起发送到智能合约进行验证；

智能合约验证选票的投票证书合法性，若投票证书合法，则对投票证书签名，并记录在投票记录表中，修改投票标注位，若投票证书非法，则拒绝对投票证书签名并发出警告，对于超时的选票标记为无效票，不予签名，最终将合法的投票记录表公布到区块链上，其中，投票者必须在规定时间内完成投票流程。

步骤四，计票，智能合约的计票中心按照既定规则，验证选票合法性，若选票合法，则累加合法的同态密文，对同态密文进行解密后公示，并发布到区块链上，若选票不合法，则丢弃选票，计票中心拿到公示的投票记录表首先验证签名的有效性，检查投票是否已经存在，然后按照既定的程序统计选举结果，并公布各候选者有效票数写入区块链账本中，进一步包含：

待投票截止后，计票中心公示所有获得的选票,并根据智能合约的同态加密公钥验证签名的合法性,将不合法的选票丢弃；

选择所有合法性选票中的同态密文，进行同态密文累加，设定

代表投票人V_i的选票同态密文形式，Csum代表最终的同态密文累加，即合法的所有投票者对所有候选者的全部意愿表示为：

智能合约利用同态加密算法BGV解密最终结果，由于同态加密算法BGV支持SIMD技术操作，因此同态密文累加结果解密后对应每位候选人的投票结果，将候选人的投票结果和所有合法的投票再次发送到链上公示，投票流程结束。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。

在具体使用时，根据本发明所述的基于联盟链的k-out-of-m匿名投票方法，具体实施方式如下：

首先，投票者将个人身份信息发送给向认证中心CA进行身份注册，获取投票者的签名公钥和签名私钥及同态加密公钥，在注册阶段每位投票者都会使用自己的身份信息去认证中心CA进行注册,只有合法的投票者才具有投票的权力；

然后，投票者按照个人意愿对每个候选人的投票进行打包处理，利用同态加密的SIMD技术加密投票信息，可以将所有的候选人的投票意愿并行处理，实现投票的安全性；

其次，投票者向智能合约发送验证身份信息，通过智能合约的计票中心能解密处理，申请对投票的合法性签名，并公布到区块链上，其中，合法投票者会获得唯一投票标识,发送给认证中心CA，管理者记录投票信息，保证每个投票人只记录一次，因此每位投票人只拥有一次投票机会；

然后，智能合约的计票中心自动按照既定规则，验证选票合法性，累计合法的同态密文，然后解密最终结果，公示到区块链上，运行在区块链上，具有特定的审核身份、审核选票、统计选票等业务逻辑的智能合约，能够取代传统的TTP，完成投票管理和统计功能，并满足其安全特性，中节点间的通信可采用安全信道，为投票中的传输安全提供更好的保障，智能合约的代码和状态一旦被部署到区块链上，就会一直运行且不可篡改，并且智能合约自动验证所有选票的合法性，利用同态密文的加法同态特性，最终得到了所有合法投票人对所有候选人的投票意愿统计；

最后，计票中心将收集到的选票公布在了公示中心,每位投票者都可以根据公告栏上的信息和自己持有的信息进行比对,以确认自己的选票是否有被正确统计，投票者和其他人可根据公示信息验证整个投票过程的合法性、正确性、完备性。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过投票者利用全同态加密方式，对每位候选者的投票信息封装在明文槽内，利用同态密文的打包技术实现了多选多k-out-of-m的并行投票，然后智能合约按照预先设计好的程序，对选举投票结果的密文进行累加，将解密累加的最终同态密文公示，得到所有投票人对每位候选者的最终投票结果，实现了投票人的匿名投票。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (7)

1.一种基于联盟链的k-out-of-m匿名投票方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1系统初始化，投票管理者将每位投票者的身份信息发送给认证中心CA进行身份注册，注册后激励智能合约生成每位投票者的密钥匹配元素，通知投票者获取自己的签名公钥、签名私钥和同态加密公钥；

S2投票者注册，认证中心CA根据同态加密算法BGV生成用于投票的同态加密公私钥对，将同态加密私钥发送给智能合约的计票中心，计票中心判断认证是否成功；

S3生成投票，投票者通过智能合约进行合法性签名验证，若合法性签名正确，则生成投票记录表，若判定不正确，则发送警告，同时将投票者的合法性签名公布到区块链上；

S4计票，智能合约的计票中心按照既定规则，验证选票合法性，若选票合法，则累加合法的同态密文，对同态密文进行解密后公示，并发布到区块链上，若选票不合法，则丢弃选票。

2.根据权利要求1所述的基于联盟链的k-out-of-m匿名投票方法，其特征在于，所述S1系统初始化进一步包含：

S1.1投票管理者设置待决议问题，公布候选人基本信息；

S1.2根据选举周期设计各时间节点参数，规划投票进程；

S1.3设置完成后，公布节点参数，激励智能合约，通知投票者开始注册，通知智能合约进行注册。

3.根据权利要求1所述的基于联盟链的k-out-of-m匿名投票方法，其特征在于，所述S2投票人注册进一步包含：

S2.1认证中心CA根据同态加密算法BGV中的密钥生成算法以及候选人的数量来生成用于投票的同态加密公私钥对，将私钥发送给智能合约的计票中心；

S2.2认证中心CA向智能合约发送同态加密公私钥对，生成投票记录表，该表由投票证书和投票标注位组成，用于记录投票者的投票情况；

S2.3投票者使用身份信息运用认证中心CA进行身份注册，认证中心CA根据投票者递交的身份信息验证投票者是否有投票权以及是否为首次投票，若验证通过，则计票中心向投票者发送唯一身份标识、同态加密公私钥对、同态加密公钥。

4.根据权利要求1所述的基于联盟链的k-out-of-m匿名投票方法，其特征在于，所述S3生成投票进一步包含：

S3.1将每个投票者对应所有候选者的投票信息打包成为一个明文消息，利用同态加密算法BGV支持的SIMD技术，然后加密为一个同态密文；

S3.2投票者使用签名私钥对自己的选票生成投票者效验签名，将效验签名和选票一起发送到智能合约进行验证；

S3.3智能合约验证选票的投票证书合法性，若投票证书合法，则对投票证书签名，并记录在投票记录表中，修改投票标注位，若投票证书非法，则拒绝对投票证书签名并发出警告。

5.根据权利要求4所述的基于联盟链的k-out-of-m匿名投票方法，其特征在于，所述S3.1中同态密文进一步包含：

S3.1.1从m个候选者Cm选出k个人，将明文槽相应的位置设置为1，不选择的候选者位置设置为0，利用同态加密算法BGV支持的SIMD技术，加密一个同态密文，设定

代表投票者V_i的选票同态密文形式，Enc_pk代表同态密文公钥，message_i代表对第i个候选者的意愿，若message_i＝0表示不选，若message_i＝1表示不选，则选票同态密文形式为：

6.根据权利要求1所述的基于联盟链的k-out-of-m匿名投票方法，其特征在于，所述S4计票进一步包含：

S4.1待投票截止后，计票中心公示所有获得的选票，并根据智能合约的同态加密公钥验证签名的合法性，将不合法的选票丢弃；

S4.2选择所有合法性选票中的同态密文，进行同态密文累加；

S4.3智能合约利用同态加密算法BGV解密最终结果，由于同态加密算法BGV支持SIMD技术操作，因此同态密文累加结果解密后对应每位候选人的投票结果，将候选人的投票结果和所有合法的投票再次发送到链上公示。

7.根据权利要求6所述的基于联盟链的k-out-of-m匿名投票方法，其特征在于，所述S4.2同态密文累加进一步包含：

S4.2.1设定

代表投票人V_i的选票同态密文形式，Csum代表最终的同态密文累加，即合法的所有投票者对所有候选者的全部意愿表示为：

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