0 引言

    在電子投票選舉系統(tǒng)的安全實(shí)用性研究方面，基于密碼技術(shù)的投票方案是最常見的。CHAUM D提出了第一個(gè)密碼學(xué)意義上的電子投票選舉方案^[1]，提出了在公鑰密碼體制結(jié)合 Mix機(jī)制來實(shí)現(xiàn)匿名通信的方案，但是該方案要求所有投票者必須合作，其協(xié)議效率和可行性較低。在此方案的基礎(chǔ)上，一系列采用Mix-net機(jī)制的電子投票系統(tǒng)^[2-3]研究出現(xiàn)了，在協(xié)議的安全性以及可靠性方面有所提高^[4]。這類方案要求所有Mix服務(wù)器在處理選票過程中無法篡改選票，其無法篡改的證明依賴于大量的證明計(jì)算，協(xié)議運(yùn)行效率較低。

    區(qū)塊鏈技術(shù)最先在比特幣白皮書中，以“工作量證明鏈（Proof-of-work Chain）”的形式提出。區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一個(gè)去中心化的數(shù)據(jù)庫，作為比特幣的底層技術(shù)，區(qū)塊鏈通過分布式公式算法實(shí)現(xiàn)去中心化，其核心是一個(gè)開放的、可編程的分布式數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫是全球性的。區(qū)塊鏈技術(shù)不僅是用在金融交易上，還可以用于記錄所有有價(jià)值的東西，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，如財(cái)務(wù)賬目、醫(yī)療過程、出生證明、保險(xiǎn)理賠、投票等任何可用代碼來表示的東西。針對(duì)現(xiàn)有方案存在的投票效率低下、重復(fù)投票、欺詐選票以及安全性等問題，本文在區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了基于區(qū)塊鏈的投票選舉系統(tǒng)，通過在投票過程中引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，每個(gè)投票數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)都可以驗(yàn)證投票賬本的內(nèi)容和構(gòu)造歷史的真實(shí)性和完整性，確保投票記錄是可靠的、沒有被篡改的，相當(dāng)于提高了系統(tǒng)的可追責(zé)性，降低了系統(tǒng)的信任風(fēng)險(xiǎn)。防止有不合法投票人欺詐選票或者其他機(jī)構(gòu)破壞投票過程，干擾投票結(jié)果。此外，每個(gè)投票人都可以看到投票結(jié)果，通過匿名算法，保證投票人的隱私，同時(shí)又不損害投票的公開公正性。

1 電子投票選舉系統(tǒng)安全性要求

    電子投票選舉系統(tǒng)在安全性方面的要求包括：

    (1)合法用戶參與性，不合法用戶是不能進(jìn)行投票的；

    (2)投票中心不能拒絕合法選票；

    (3)合法投票者只能進(jìn)行一次投票；

    (4)投票過程的不可破壞性：投票過程不能被惡意攻擊者的不合法或不誠實(shí)行為破壞；

    (5)選票內(nèi)容的保密性，對(duì)選票內(nèi)容進(jìn)行加密，防止被惡意竊取后泄露選票內(nèi)容，影響投票過程；

    (6)投票者可以驗(yàn)證自己的選票是否正確有效，且被正確統(tǒng)計(jì)，保證選舉結(jié)果的正確性和合法性；

    (7)投票者身份隱藏，其他用戶不可見；

    (8)投票過程需簡單高效，無需用戶進(jìn)行復(fù)雜學(xué)習(xí)；

    (9)系統(tǒng)可支持多個(gè)候選人。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)適用性分析

    區(qū)塊鏈?zhǔn)潜忍貛诺幕A(chǔ)技術(shù)，每個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)無需相互信任，在時(shí)間戳、數(shù)據(jù)加密等技術(shù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)去中心化、不可篡改和自治性等特性。系統(tǒng)的每個(gè)參與者都能夠知曉系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)則，又實(shí)現(xiàn)了開源透明的特性。區(qū)塊鏈的這些技術(shù)性特點(diǎn)解決了現(xiàn)在中心化系統(tǒng)所存在的成本高、效率低、安全性低等問題。

    在基于區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都共享系統(tǒng)的所有信息，不存在中心節(jié)點(diǎn)，每個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)都可以驗(yàn)證賬本的真實(shí)內(nèi)容以及歷史記錄，保證了數(shù)據(jù)的完整性，確保數(shù)據(jù)是沒有經(jīng)過篡改的、可靠的。區(qū)塊鏈的自治性決定了節(jié)點(diǎn)在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，會(huì)自主監(jiān)聽其他節(jié)點(diǎn)發(fā)生的數(shù)據(jù)信息，并隨時(shí)進(jìn)行共享，整個(gè)流程都是區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)自主實(shí)現(xiàn)的，不需要人工進(jìn)行干預(yù)。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)者，網(wǎng)絡(luò)中沒有節(jié)點(diǎn)擁有絕對(duì)優(yōu)先的權(quán)力。這種去中心化的、分布式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)適用于投票選舉系統(tǒng)，投票中心不需要專門維護(hù)和管理整理投票系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)，投票系統(tǒng)的每個(gè)用戶共同維護(hù)和管理整個(gè)系統(tǒng)的信息，并可共享數(shù)據(jù)信息，保證了網(wǎng)絡(luò)的透明性，也防止了惡意投票或篡改欺詐、欺騙選票的作弊行為。

    由于區(qū)塊鏈的記錄是可追溯的，且不可抵賴，所有的投票記錄都會(huì)被全網(wǎng)記錄，任何投票用戶的投票記錄都會(huì)被記錄到區(qū)塊中，每一次新的投票記錄都會(huì)被共享到全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)中所有的節(jié)點(diǎn)都可以收到投票記錄，并把收到的記錄加入?yún)^(qū)塊中，在區(qū)塊鏈算法中，始終將長度最長的區(qū)塊鏈認(rèn)為是正確的鏈，鏈會(huì)隨著投票記錄的增加不斷變長。區(qū)塊鏈?zhǔn)褂昧藭r(shí)間戳，可以提供時(shí)間上的證明，如果有欺詐選票或篡改選票的行為，將可以在區(qū)塊鏈中回溯記錄查詢發(fā)生篡改或欺詐選票的時(shí)間和數(shù)據(jù)。

3 基于區(qū)塊鏈的電子投票選舉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    基于區(qū)塊鏈的電子投票選舉系統(tǒng)擬采用C/S架構(gòu)，本文根據(jù)區(qū)塊鏈中去中心化、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)共享、節(jié)點(diǎn)自治性等特點(diǎn)，分析電子投票選舉系統(tǒng)，要求每個(gè)投票者平等地參與投票，投票完畢后生成投票憑證報(bào)文，報(bào)文驗(yàn)證完畢后，系統(tǒng)向所有節(jié)點(diǎn)廣播投票記錄消息，所有收到消息的節(jié)點(diǎn)更新自己的區(qū)塊鏈，存儲(chǔ)投票記錄，共同維護(hù)系統(tǒng)投票歷史記錄信息。

3.1 系統(tǒng)功能說明

    電子投票選舉系統(tǒng)的主要功能是記錄投票者的投票信息，記錄投票過程并生成投票憑證，將投票憑證存入本地?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中記錄了投票時(shí)間、投票數(shù)據(jù)等信息。投票記錄加密后共享給系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的大部分節(jié)點(diǎn)甚至所有節(jié)點(diǎn)認(rèn)為該投票記錄有效時(shí)，系統(tǒng)記錄票數(shù)，并將投票憑證記錄到區(qū)塊中，然后系統(tǒng)公布候選者票數(shù)，整個(gè)過程中投票者的信息都是隱藏的。每個(gè)投票系統(tǒng)用戶節(jié)點(diǎn)都可以收到投票憑證，保存到區(qū)塊中，在區(qū)塊鏈算法中，始終將長度最長的區(qū)塊鏈認(rèn)為是正確的鏈，鏈會(huì)隨著投票記錄的增加不斷變長。投票憑證的傳輸采用了簽名認(rèn)證，系統(tǒng)會(huì)定時(shí)檢測區(qū)塊鏈文件，確保文件未被篡改。區(qū)塊鏈文件表示記錄投票憑證的賬本。系統(tǒng)還提供了兩個(gè)輔助功能來方便用戶了解投票功能和查看當(dāng)前投票系統(tǒng)公開選票記錄。兩個(gè)輔助功能包括：(1)獲取投票信息功能，在用戶完成投票后，系統(tǒng)自動(dòng)生成投票憑證，并在本地保存；(2)查看投票歷史記錄，所有用戶都可以在公共信息頁上查看所有候選者的選票情況。

3.2 功能設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)按照功能可以分為3個(gè)模塊：投票模塊、區(qū)塊鏈管理模塊、投票憑證管理模塊。在本系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)指的是位于系統(tǒng)中、可以被用戶進(jìn)行投票使用的PC或者手機(jī)APP，這些節(jié)點(diǎn)可以互相通信，并且在節(jié)點(diǎn)中可以存儲(chǔ)區(qū)塊鏈信息，并提供區(qū)塊鏈系統(tǒng)的維護(hù)功能，節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的工作對(duì)于投票用戶來說是不可見的。圖1描述了系統(tǒng)的總體功能劃分。

    投票模塊主要承擔(dān)投票者用戶選擇候選者進(jìn)行投票的功能，并達(dá)到投票去中心化、去信任的目標(biāo)。在該模塊中，用戶選擇候選者，選擇投票，點(diǎn)擊確定，生成投票記錄，即投票憑證報(bào)文。為保證投票憑證在傳輸模塊傳輸過程中不被篡改，系統(tǒng)根據(jù)區(qū)塊鏈中最后一條記錄的散列值，使用私鑰簽名，并把投票記錄、簽名和公鑰一起封裝成投票憑證報(bào)文，該報(bào)文被發(fā)送給候選者節(jié)點(diǎn)。候選者節(jié)點(diǎn)接收投票記錄憑證，利用公鑰驗(yàn)證其簽名，若簽名正確，則增加此候選者的票數(shù)。此過程對(duì)于候選者節(jié)點(diǎn)來說，可見的只是選票的增加，并不會(huì)顯示投票者的信息，簽名驗(yàn)證通過后，系統(tǒng)封裝確認(rèn)消息報(bào)文，并共享給所有節(jié)點(diǎn)，收到消息的節(jié)點(diǎn)更新自己本身的區(qū)塊鏈。

    區(qū)塊鏈管理模塊主要用于管理分布式區(qū)塊鏈賬本，及時(shí)更新區(qū)塊鏈文件，提供查詢?cè)敿?xì)投票記錄的功能。及時(shí)更新區(qū)塊鏈文件主要是指Merkle根數(shù)據(jù)的定點(diǎn)更新，系統(tǒng)每隔一定時(shí)間，會(huì)向所有節(jié)點(diǎn)共享區(qū)塊鏈Merkle根的數(shù)據(jù)，收到消息的節(jié)點(diǎn)，比較本地Merkle根數(shù)據(jù)是否一致，以此來判斷系統(tǒng)是否在安全狀態(tài)下，是否已遭受惡意攻擊或數(shù)據(jù)被篡改。

    投票憑證管理模塊用于管理投票者投票產(chǎn)生的投票記錄數(shù)據(jù)，按照加密協(xié)議，生成投票憑證，并把投票憑證報(bào)文存儲(chǔ)至本地存儲(chǔ)模塊中。

3.2.1 投票模塊功能

    投票模塊主要實(shí)現(xiàn)投票并生成投票記錄和投票憑證報(bào)文，傳輸投票記錄。該模塊包括投票憑證生成、投票憑證傳輸、投票憑證校驗(yàn)、投票憑證確認(rèn)等4個(gè)功能，如圖2所示。

    投票功能分析如下：

    (1)投票記錄生成：用戶選擇要進(jìn)行投票的候選人，點(diǎn)擊投票，確定投票信息，則系統(tǒng)生成投票記錄，記錄用戶ID、用戶投票時(shí)間、候選者ID，并加密生成投票憑證報(bào)文。

    (2)投票憑證傳輸功能：系統(tǒng)將生成的投票憑證報(bào)文發(fā)送出去。系統(tǒng)根據(jù)區(qū)塊鏈中最后一條記錄的散列值，使用私鑰簽名。將投票記錄、簽名和公鑰封裝到消息中，發(fā)送給候選者節(jié)點(diǎn)。消息中包含候選者用戶ID、投票憑證報(bào)文、投票者用戶簽名、公鑰等信息，便于系統(tǒng)校驗(yàn)消息正確性。

    (3)投票憑證校驗(yàn)：候選者節(jié)點(diǎn)接收到消息后，需要進(jìn)行如下校驗(yàn)過程：首先判斷消息的發(fā)送方是否系統(tǒng)中合法節(jié)點(diǎn)，若不是則丟棄消息；若是，則取出本地區(qū)塊文件的Hash散列值以及消息中的公鑰檢驗(yàn)簽名，進(jìn)行簽名認(rèn)證，返回校驗(yàn)結(jié)果，若認(rèn)證成功，則確認(rèn)消息傳輸過程中沒有被篡改，若認(rèn)證失敗，則丟棄消息。

    (4)消息確認(rèn)功能：上一步中若消息校驗(yàn)成功，則確認(rèn)消息，并對(duì)消息進(jìn)行系統(tǒng)簽名，共享給所有節(jié)點(diǎn)，通知所有節(jié)點(diǎn)更新區(qū)塊鏈文件。

3.2.2 區(qū)塊鏈管理模塊功能

    區(qū)塊連管理模塊主要實(shí)現(xiàn)維護(hù)區(qū)塊鏈文件安全可靠及完整性，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈文件更新，及向全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)共享更新區(qū)塊鏈功能。本模塊還提供投票歷史記錄查詢功能。本模塊的用例圖如圖3所示。

    區(qū)塊鏈管理模塊的功能說明：

    (1)定時(shí)更新功能：定時(shí)向系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)共享區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)。

    (2)檢測區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)功能：檢測功能用于檢測區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的正確性，在檢測開始前，發(fā)送檢測消息給所有節(jié)點(diǎn)，然后等待一定時(shí)間，在該事件間隔內(nèi)接收其他節(jié)點(diǎn)回復(fù)的Merkle根數(shù)據(jù)，時(shí)間間隔默認(rèn)是5 s，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)接收的Merkle根數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)上限設(shè)置為100。接收完畢后，進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測，于存儲(chǔ)在本地的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，統(tǒng)計(jì)相同數(shù)據(jù)記錄的數(shù)量，若與本地區(qū)塊鏈Merkle根吻合的節(jié)點(diǎn)超過50%，則認(rèn)為本地區(qū)塊鏈文件正確，否則刪除本地區(qū)塊中的數(shù)據(jù)。

    (3)請(qǐng)求下載區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)：系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)本地缺少區(qū)塊鏈時(shí)，可以發(fā)送請(qǐng)求區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)消息給系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)，并等待一定時(shí)間間隔用于接收其他節(jié)點(diǎn)返回的數(shù)據(jù)，等待返回消息時(shí)間默認(rèn)設(shè)置為5 s，系統(tǒng)中其他節(jié)點(diǎn)接收到請(qǐng)求會(huì)整理本節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊鏈文件，然后發(fā)送最新的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)給請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)。請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)獲取最先收到的消息，并更新本地區(qū)塊鏈文件。

    (4)查詢投票歷史記錄：根據(jù)用戶輸入的查詢時(shí)間范圍，向所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢請(qǐng)求消息，請(qǐng)求等待響應(yīng)時(shí)間設(shè)置為5 s。等待5 s時(shí)間用于接收返回的消息，并根據(jù)時(shí)間順序來排序收到的數(shù)據(jù)消息，生成歷史記錄。

3.2.3 投票憑證管理模塊功能

    投票憑證管理功能主要實(shí)現(xiàn)獲取用戶輸入的投票數(shù)據(jù)，整理封裝成投票記錄報(bào)文，保存在本地。用例圖如圖4所示。

    投票憑證管理模塊的具體功能是報(bào)文封裝功能：用戶確認(rèn)選票，確定投票后，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)投票記錄進(jìn)行分析，采用私有加密協(xié)議，對(duì)投票數(shù)據(jù)封裝成投票憑證報(bào)文，與生成時(shí)間戳一并保存。

4 結(jié)論

    本文通過分析區(qū)塊鏈的底層密碼學(xué)原理以及應(yīng)用場景，針對(duì)現(xiàn)有方案存在的投票效率低下、重復(fù)投票、欺詐選票以及安全性等問題，在區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了基于區(qū)塊鏈的投票選舉系統(tǒng)。在投票過程中引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，每個(gè)投票數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)都可以驗(yàn)證投票賬本的內(nèi)容和構(gòu)造歷史的真實(shí)性和完整性，確保投票記錄是可靠的、沒有被篡改的，相當(dāng)于提高了系統(tǒng)的可追責(zé)性，降低了系統(tǒng)的信任風(fēng)險(xiǎn)。本文重點(diǎn)提出了一種將區(qū)塊鏈應(yīng)用于投票選舉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，提出了系統(tǒng)框架和模塊功能劃分實(shí)施方案。通過該方案，防止有不合法投票人欺詐選票或者其他機(jī)構(gòu)破壞投票過程，干擾投票結(jié)果。此外，每個(gè)投票人都可以看到投票結(jié)果，通過匿名算法，保證投票人的隱私，同時(shí)又不損害投票的公開公正性。

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