CN114629660A - 一种基于区块链的匿名可信投票方法、装置及相关设备 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本申请涉及区块链技术领域,更具体地说,是涉及一种基于区块链的匿名可信投票方法、装置及相关设备。
背景技术
智能电网系统的快速发展催生了一种名为“能源互联网”(IoE)的现代电力系统,引起了许多国家的极大兴趣。作为能源问题的互联网式解决方案,IoE有许多关键技术和挑战需要解决。其中,投票是IoE中最常见的活动之一。例如,我们可以通过电子投票选择一个合适的能源经纪人。虽然有很多电子投票方案,但IoE中的方案有更严格的要求。
除了电子投票方案的一些常见要求,如正确性、合格性和抗胁迫性等,在IoE中部署投票服务时,还需要满足去中心化、匿名性、可验证性和效率等要求。首先,由于IoE的开放和分布式性质,在没有任何类型的可信第三方(TTP)的情况下处理投票是很重要的;其次,提供足够的投票人匿名性也是至关重要的,因为在IoE的点对点市场中,候选人可能有更多不受监控的方式来损害投票人;然后,必须提供可验证性,因为非法行为应该在IoE中进行审计和惩罚;最后,IoE中的基本服务应该是高效的,并且与系统兼容。
虽然过去的研究(如Helios及Backes等人提出的电子投票方案:[BenAdida.Helios:Web-based open-audit voting.In USENIX security symposium,volume17,2018]和[Michael Backes,Martin Gagné,and Malte Skoruppa.Using mobile devicecommunication to strengthen e-voting protocols.In Proceedings of the 12th ACMworkshop on Workshop on privacy in the electronic society,pages237–242,2013])为匿名电子投票提出了一系列有效的协议,但是他们中的大多数方案需要管理员或当局实施的web服务器提供一个一致的视图,由此涉及到一个可信任的第三方。然而,对于可信的第三方,协议将受到单点故障的影响,不能用于新型互联网不可信的环境。
另一个问题是提供可验证性和匿名性,这似乎是两个相互矛盾的设计目标。一些投票方案(如Yang等人提出的基于区块链的匿名投票方案:[Xuechao Yang,Xun Yi,SuryaNepal,Andrei Kelarev,and Fengling Han.Blockchain voting:Publicly verifiableonline voting protocol without trusted tallying authorities.Future GenerationComputer Systems,112:859-874,2020])已经通过区块链技术建解决了这个问题,然而,效率问题是他们技术最大一个缺陷。
发明内容
有鉴于此,本申请提供了一种基于区块链的匿名可信投票方法、装置及相关设备,以实现去中心化的匿名投票。
为实现上述目的,本申请第一方面提供了一种基于区块链的匿名可信投票方法,包括:
其中,o为随机生成的字符串。
优选地,所述基于区块链的匿名可信投票方法还包括:
本申请第二方面提供了一种基于区块链的匿名可信投票装置,包括:
本申请第三方面提供了一种基于区块链的匿名可信投票设备,包括:存储器和处理器;
所述存储器,用于存储程序;
所述处理器,用于执行所述程序,实现上述的基于区块链的匿名可信投票方法的各个步骤。
本申请第四方面提供了一种存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时,实现如上述的基于区块链的匿名可信投票方法的各个步骤。
经由上述的技术方案可知,本申请首先对原始投票内容进行散列运算,得到散列输出,所述散列输出包括承诺值所述散列运算使得原始投票内容能够得到较好的隐藏。然后,结合其他各投票人的信息对承诺值进行盲化处理,得到承诺值元组和经过盲化处理,使得投票人身份能够得到较好的隐藏。接着,通过ESDSA算法对承诺值元组进行签名,得到签名元组通过投票人自身对其承诺值元组进行签名,使得投票内容得到目标投票人本人的认证,并防止他人伪造投票内容。最后,基于承诺值元组签名元组以及其他各投票人的签名元组构建投票元组并将投票元组以及承诺值元组上链,所述投票元组用作投票阶段的投票内容。其中,签名元组为其他各投票人对签名元组进行验证,且在验证通过后生成的。通过其他各投票人的验证签名,使得目标投票人本人无法篡改投票内容。承诺值元组用于对所述投票元组进行解密,便于后续打开投票内容并进行计票。本申请通过上述处理过程,实现了投票内容隐藏、投票匿名及可验证。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述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申请的实施例,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,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例公开的基于区块链的匿名可信投票方法的整体设计示意图;
图2为本申请实施例公开的基于区块链的匿名可信投票方法的流示意图;
图3为本申请实施例公开的基于区块链的匿名可信投票装置的示意图;
图4为本申请实施例公开的基于区块链的匿名可信投票装置的另一示意图;
图5为本申请实施例公开的基于区块链的匿名可信投票装置的再一示意图;
图6为本申请实施例公开的基于区块链的匿名可信投票设备的示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请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申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
为便于理解,首先介绍本申请的基于区块链的匿名可信投票方法的整体设计思路。请参阅图1,本技术方案的主要思想是当用户想对一个选票进行投票时,用户先对投票消息进行承诺(实现可信)、盲化(实现匿名)和签名(实现可验证)三个密码学操作,得到一个对原始投票内容的匿名可信投票结果;再用一个盲签名算法对匿名可信投票结果进行盲签名(可验证),最后得到对一个选票信息的投票信息(三元组)。然后用户将在区块链中上传其对选票的投票信息,其中,盲签名的结果直接上传到区块链中,而进行了承诺、盲化后的选票消息将由用户利用一个打开投票阶段打开其承诺,进行处理后上传到区块链中,最后在区块链中将记录下投票人对选票的投票内容(四元组)。最后,用户可以在区块链中验证投票是否有效,如果有效,则进行计票操作,对投票结果进行统计。
下面详细介绍本申请实施例提供的基于区块链的匿名可信投票方法。可以理解的是,能源互联网系统(IoE)中的任何人都可以通过本提案发起投票。所有想要参加投票的投票人都应该提供他们的公钥和身份证明。因此,在进入投票之前必须经过一个初始化阶段,在这个初始化阶段,投票人的所有公共信息通过预设的智能合约广播到区块链中。假设有nv个不同的投票人 每个投票人vi通过椭圆曲线ECC密钥生成两个密钥对和设为投票人vi在以太坊网络中的公开地址,表示投票人的身份。那么每个投票人vi的公共信息是一个元组每个投票人都可以从区块链得到这个信息来验证它的有效性。在完成了上述的初始化工作后,请参阅图2,本申请实施例提供的基于区块链的匿名可信投票方法可以包括如下步骤:
步骤S101,对原始投票内容进行散列运算,得到散列输出。
其中,散列运算可以把任意长度的输入(又叫做预映射pre-image)通过散列算法变换成固定长度的散列输出,在本步骤中,该散列输出包括承诺值这种转换是一种压缩映射,也就是,散列输出的空间通常远小于输入的空间,不同的输入可能会散列成相同的散列输出,所以不可能从散列输出来确定唯一的输入值。通过散列运算,将原始投票内容m散列到一个承诺值使得投票内容可以得到很好的隐藏,在投票解开前,其他投票人都无法获知具体的投票内容。
本申请实施例首先对原始投票内容进行散列运算,得到散列输出,该散列输出包括承诺值该散列运算使得原始投票内容能够得到较好的隐藏。然后,结合其他各投票人的信息对承诺值进行盲化处理,得到承诺值元组和经过盲化处理,使得投票人身份能够得到较好的隐藏。接着,通过ESDSA算法对承诺值元组进行签名,得到签名元组通过投票人自身对其承诺值元组进行签名,使得投票内容得到目标投票人本人的认证,并防止他人伪造投票内容。最后,基于承诺值元组签名元组以及其他各投票人的签名元组构建投票元组并将投票元组以及承诺值元组上链,该投票元组用作投票阶段的投票内容。其中,签名元组为其他各投票人对签名元组进行验证,且在验证通过后生成的。通过其他各投票人的验证签名,使得目标投票人本人无法篡改投票内容。承诺值元组用于对所述投票元组进行解密,便于后续打开投票内容并进行计票。本申请通过上述处理过程,实现了投票内容隐藏、投票匿名及可验证。
具体地,算法C首先生成一个32字节的随机字符串作为承诺中的开放字符串o,然后承诺字符串c是原始选票m和o运行SHA256抗碰撞哈希算法后的哈希值,其中算法C中的serialize()表示对o进行字符串序列化。
示例性地,可以通过算法BlindX进行上述盲化处理,即通过 为除其以外的不同投票人生成盲化后的承诺值元组和(注意,在本说明书中,小写字母上标为~的情况表示其为一个字符串向量,字符串个数为nv个,小写字母上标为^的情况表示其为一个字符串)。其中,算法BlindX的具体内容如下:
具体地,算法BlindX首先随机生成两个32字节的随机字符串γ和δ,用于对输入的公钥信息进行椭圆曲线ECC的点乘操作(第四行)。随后,取椭圆曲线的点的X轴的坐标数据作为盲化的一个因子(第五行),其中,getXpointFromPubkey函数是椭圆曲线ECC中的取某个点X轴坐标值的函数。接着,对原始承诺进行盲化得到一个新的承诺值(第六、七行)。此外,还需对盲化后的承诺进行签名,以用于后续真实性验证。具体地,调用一个ECDSA算法的签名算法Sign,并用投票人vi的私钥ski来进行签名。最后,算法返回作为盲化结果。
算法BlindX中,需调用一个区块链智能合约算法setAnmVote,其作用是把投票人的地址信息、盲化后的字符串承诺信息以及签名信息通过智能合约交易上链。首先,需要一个数据结构来记录与投票人绑定的信息,示例性地,可以采用表1中的构造作为区块链中存储的记录的数据结构(voters)。其中,如表1所示,address、PK、PKs、ID为基本公共信息,其他三个映射数据对应投票人对选票的投票元组其数据类型是一个映射向量,其特点是采用区块链的地址数据类型来表示向量的索引。
表1投票人的区块链数据结构
数据类型 | 数据描述 |
address | voter |
string | PK |
string | PKs |
string | ID |
mapping(address string) | si |
mapping(address string) | ci |
mapping(address string) | dsigs |
算法setAnmVote是一个上链操作,它没有输出,示例性地,其具体内容如下:
其中,iV和iS在以太坊区块链中分别代表投票人地址和潜在签名者地址。iSi、iCi是在BlindX算法中生成的数据。而投票人voters是表1中数据结构对应的数组。第一行msg.sender是指区块链中调用该智能合约算法的交易发送者地址,该要求确保只有投票人自己可以设置数据(当它调用智能合约时才有效)。最后,算法一旦成功运行,该算法将把iSi、iCi上链,数据将在区块链中被记录下来,没有人可以重置它,包括投票人自己。
具体地,首先,每一个其他投票人通过ECDSA验证算法验证签名的有效性,为了验证该签名,需要使用一个智能合约算法getAnmVote把区块链中的签名查询出来。验证如果有效,则每一个其他的投票人通过盲签名算法BlindS在盲签名协议中生成盲签名即通过并使用一个智能合约算法signAnmVote将上传到区块链。最后,令 为对于不同的投票人的盲签名元组。
示例性地,算法BlindS的具体内容如下:
具体地,首先,签名者将使用智能合约算法getAnmVote来查询为他投票人生成的承诺数据其中,任何人都可以根据区块链的公共账户地址查询承诺数据。然后,算法利用密码学的SHA256哈希算法和ECDSA的验证算法来对承诺数据中的签名进行有效性确认(这两步生成一个验证结果S),如果有效(S==True),则根据输入的私钥参数,作为签名者的投票人通过 生成对查询到的承诺的一个盲签名随后,该盲签名也需要上链,调用的是一个上链操作智能合约算法signAnmVote。类似地,第2行中的要求确保只有签名者自己可以设置相应的数据。一旦签名被记录下来,没有人可以重置它,包括签名者自己。最后,算法BlindS返回生成的盲签名
进一步地,上述算法BlindS中,调用了两个区块链智能合约算法getAnmVote和signAnmVote,其中getAnmVote算法是一个查询操作算法。示例性地,算法getAnmVote的具体内容如下:
具体地,它有两个输入参数iV和iS,在以太坊区块链中分别代表投票人地址和潜在签名者地址,输出为一个地址V,以及当前区块链区块中记录的投票人的签名isi和承诺ici。算法开始后,直接返回当前地址为iV的voters数据结构中的voter、si的iV位置和ci的iV位置字段。
算法signAnmVote有两个输入参数iV和idsig,在区块链中分别代表投票人地址和对应地址实现的一个盲签名。第一行msg.sender是指区块链中调用该智能合约算法的交易发送者地址(该盲签名的签名者地址),该要求确保只有签名者自己才可以上链数据。
示例性地,算法VerifyS的具体内容如下:
首先,计算生成一个ECC椭圆曲线的点B。随后,算法取椭圆曲线的点的X轴的坐标数据。接着,算法对原始承诺与B点的X轴坐标进行SHA256哈希得到一个哈希值。如果承诺有效,则该值应该与输入值相同。最后,算法根据该判断输出True或False。
接下来介绍验证/计票阶段。在本申请的一些实施例中,该基于区块链的匿名可信投票方法还可以包括:
示例性地,在验证/计票阶段,算法V的内容如下:
首先对输入的原始投票内容m和o进行SHA256哈希算法得到哈希值其中算法V中的serialize()表示对o进行字符串序列化。然后判断与输入的c是否相等,如果是,则说明投票验证通过,输出True,否则输出False。
下面对本申请实施例提供的基于区块链的匿名可信投票装置进行描述,下文描述的基于区块链的匿名可信投票装置与上文描述的基于区块链的匿名可信投票方法可相互对应参照。
请参见图3,本申请实施例提供的基于区块链的匿名可信投票装置,可以包括:
其中,o为随机生成的字符串。
在本申请的一些实施例中,请参阅图5,该基于区块链的匿名可信投票装置还可以包括验证计票单元40,用于:
本申请实施例提供的基于区块链的匿名可信投票装置可应用于基于区块链的匿名可信投票设备,如计算机等。可选的,图6示出了基于区块链的匿名可信投票设备的硬件结构框图,参照图6,基于区块链的匿名可信投票设备的硬件结构可以包括:至少一个处理器31,至少一个通信接口32,至少一个存储器33和至少一个通信总线34。
在本申请实施例中,处理器31、通信接口32、存储器33、通信总线34的数量为至少一个,且处理器31、通信接口32、存储器33通过通信总线34完成相互间的通信;
处理器31可能是一个中央处理器CPU,或者是特定集成电路ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit),或者是被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路等;
存储器32可能包含高速RAM存储器,也可能还包括非易失性存储器(non-volatilememory)等,例如至少一个磁盘存储器;
其中,存储器33存储有程序,处理器31可调用存储器33存储的程序,所述程序用于:
可选的,所述程序的细化功能和扩展功能可参照上文描述。
本申请实施例还提供一种存储介质,该存储介质可存储有适于处理器执行的程序,所述程序用于:
可选的,所述程序的细化功能和扩展功能可参照上文描述。
综上所述:
本申请首先对原始投票内容进行散列运算,得到散列输出,所述散列输出包括承诺值所述散列运算使得原始投票内容能够得到较好的隐藏。然后,结合其他各投票人的信息对承诺值进行盲化处理,得到承诺值元组和经过盲化处理,使得投票人身份能够得到较好的隐藏。接着,通过ESDSA算法对承诺值元组进行签名,得到签名元组通过投票人自身对其承诺值元组进行签名,使得投票内容得到目标投票人本人的认证,并防止他人伪造投票内容。最后,基于承诺值元组签名元组以及其他各投票人的签名元组构建投票元组并将投票元组以及承诺值元组上链,所述投票元组用作投票阶段的投票内容。其中,签名元组为其他各投票人对签名元组进行验证,且在验证通过后生成的。通过其他各投票人的验证签名,使得目标投票人本人无法篡改投票内容。承诺值元组用于对所述投票元组进行解密,便于后续打开投票内容并进行计票。本申请通过上述处理过程,实现了投票内容隐藏、投票匿名及可验证。
进一步地,与传统的去中心化匿名投票方案相对,本申请具有去中心化、可追溯性和防篡改性等区块链特有的特性,此外,与其他基于区块链的分布式时间戳方案相比,本提案具有更高的效率。本申请高效实现了七个安全设计目标,即:公平性(确保任何人在提交自己的选票之前,不能获得他人的投票结果,意味着投票人的选择不会受到那些提前投票的人的影响)、去中心化(任何一种可信的第三方,比如选举管理员或独立观察员,都不应该出现在投票协议中)、合法性(在投票人开始投票之前,应检查他/她的权利;此外,合法性要求每个投票人只能投一次票)、匿名性(要求保护投票人的隐私,不能让任何人在最后的投票结果中知道选票的主人是谁)、兼容性(要求投票方案应该尽可能简单,以便集成到能源互联网的信息化系统中)、可验证性(保证了投票的所有阶段都可以被投票人审计。此外,每张选票的有效性应该能够被任何人验证)、抵制胁迫性(为了避免有人试图强迫投票人按照他们的指示投票,一个投票方案应该是抵制胁迫的)。特别地,本申请是基于区块链实现的匿名可信投票方案,对比目前大量的采用PoW共识算法等平台实现的匿名可信投票方案,具有更快的交易处理。
最后,还需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间可以根据需要进行组合,且相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
9.一种基于区块链的匿名可信投票设备,其特征在于,包括:存储器和处理器;
所述存储器,用于存储程序;
所述处理器,用于执行所述程序,实现如权利要求1~7中任一项所述的基于区块链的匿名可信投票方法的各个步骤。
10.一种存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时,实现如权利要求1~7中任一项所述的基于区块链的匿名可信投票方法的各个步骤。
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