安全的電子投票系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳飛

摘 要 針對(duì)現(xiàn)有電子投票系統(tǒng)在安全性方面和實(shí)用性方面的問(wèn)題，在B/S模式下設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種安全高效的電子投票系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要使用矩陣同態(tài)加密、矩陣全同態(tài)加密、基于身份簽名以及委托計(jì)算等技術(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。龔

關(guān)鍵詞 網(wǎng)絡(luò)安全 電子投票系統(tǒng) 密碼學(xué)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

由于傳統(tǒng)紙質(zhì)投票中需要印刷選票、制作票箱、收發(fā)選票、人工統(tǒng)計(jì)等工作，使得整個(gè)投票過(guò)程非常繁瑣，耗時(shí)耗力。此外，傳統(tǒng)的紙質(zhì)投票更容易被不誠(chéng)實(shí)的選民或計(jì)票單位篡改。不論是從人力、物力消耗方面還是整個(gè)投票過(guò)程的效率及安全性方面來(lái)考慮，傳統(tǒng)紙質(zhì)投票早已漏洞百出。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，電子投票已經(jīng)逐漸在方案征集、調(diào)研、政府選舉等各個(gè)領(lǐng)域普及開(kāi)來(lái)。電子投票作為一種無(wú)紙化、電子化、計(jì)算機(jī)化的投票方式，簡(jiǎn)化了投票過(guò)程。相對(duì)于傳統(tǒng)的紙質(zhì)投票方式，它更高效、便捷、安全，充分體現(xiàn)了環(huán)保、低碳的經(jīng)濟(jì)理念。

雖然目前有多種電子投票方案，但現(xiàn)有方案仍存在許多不足之處：選票內(nèi)容合法性難以驗(yàn)證、匿名性與在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下身份驗(yàn)證相矛盾、對(duì)于規(guī)模較大的投票活動(dòng)有一定的局限性等。

針對(duì)上述問(wèn)題，本作品在B/S模式下設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種安全高效的電子投票系統(tǒng)。由于在B/S模式下設(shè)計(jì)，因而能夠簡(jiǎn)化客戶端電腦載荷，減輕系統(tǒng)維護(hù)與升級(jí)的成本和工作量，降低用戶的總體成本，此外，通過(guò)Internet/Intranet模式下的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用，使得成本也相對(duì)較低。能實(shí)現(xiàn)不同的人員，不同的地點(diǎn)，不同的接入方式（比如LAN、WAN、Internet/Intranet等）訪問(wèn)和操作共同的數(shù)據(jù)庫(kù)，并能有效地管理訪問(wèn)權(quán)限和保護(hù)數(shù)據(jù)平臺(tái)，同時(shí)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)也很安全。本作品主要使用矩陣同態(tài)加密、矩陣全同態(tài)加密、基于身份簽名以及委托計(jì)算等技術(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本作品將每張選票以矩陣的形式呈現(xiàn)，不僅可以實(shí)現(xiàn)任意候選人的選舉，而且可以利用現(xiàn)階段先進(jìn)的同態(tài)加密以及委托計(jì)算技術(shù)，使得驗(yàn)票變得更加簡(jiǎn)單方便，同時(shí)選票內(nèi)容的隱私性也得到了保護(hù)。本作品在選民選票生成、選票驗(yàn)證方面更加簡(jiǎn)潔，在系統(tǒng)部署方面更加靈活，可以用于同時(shí)在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下進(jìn)行大規(guī)模安全高效的投票選舉。本系統(tǒng)結(jié)合矩陣同態(tài)加密、矩陣全同態(tài)加密以及基于身份簽名等技術(shù)，在B/S模式下實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于身份簽名的安全電子投票系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括五個(gè)部分，具體有注冊(cè)模塊、投票模塊、查詢模塊、驗(yàn)票模塊、公證模塊、統(tǒng)計(jì)模塊。這五個(gè)部分有不同協(xié)作和分工，共同組成電子投票的整體。與現(xiàn)有的電子投票系統(tǒng)比較，本系統(tǒng)具有如下特色與創(chuàng)新：

（1）將選票以矩陣的形式呈現(xiàn)。利用矩陣包含信息量大等特點(diǎn)，將選票以矩陣的形式存放，一個(gè)矩陣可以包含多個(gè)候選人的信息。

（2）編碼方式獨(dú)特。用“101…0m”、“1”、“0”分別表示“贊成”、“反對(duì)”、“棄權(quán)”這三種狀態(tài)，這樣便可以統(tǒng)計(jì)出任意狀態(tài)的投票人數(shù)。根據(jù)選民的規(guī)模確定編碼的長(zhǎng)度，假設(shè)選民的規(guī)模大小為789，那么贊成就用1000表示，當(dāng)然也可以使用10000…。采用一個(gè)5*5的矩陣表示多候選人的選票（可容納的候選人數(shù)為1～25，不足的地方用上面的三種狀態(tài)填充）。如果候選人數(shù)超過(guò)25，則通過(guò)調(diào)整矩陣大小即可適用。

（3）選票身份化。采用基于身份的簽名技術(shù)對(duì)選票進(jìn)行簽名，保證了所記錄的選票是選民自己的，由此便可認(rèn)證選民的身份，驗(yàn)證選民的合法性。

（4）選票內(nèi)容隱私。使用矩陣同態(tài)加密和矩陣全同態(tài)加密技術(shù)保護(hù)了選票內(nèi)容的隱私性。選票雖然具有身份信息，但選票的內(nèi)容已被同態(tài)算法加密保護(hù)，除選民外，其他人無(wú)法了解選票的內(nèi)容，故使得選票具有身份信息的同時(shí)，又能保護(hù)選票內(nèi)容的隱私。

1矩陣同態(tài)加密方案簡(jiǎn)介

本作品實(shí)現(xiàn)的是基于AGCDP困難性的矩陣同態(tài)加密方案，它是由密鑰生成算法、加密算法Enc和解密算法Dec算法構(gòu)成的三元組HME={KryGen，Enc，Dec}。具體算法及參數(shù)設(shè)置如下：

（1）密鑰生成：運(yùn)行密鑰生成算法KryGen，輸入安全參數(shù)%d，輸出素?cái)?shù)p和p1，密鑰k=（p，p1）←KryGen（1%d）。這里的安全參數(shù)%d=（%Z%[），其中%Z=|p|，%[=|p1|。具體生成參數(shù)p，p1是按，隨機(jī)產(chǎn)生，在此設(shè)定%Z=%d，%[<%d，再利用隨機(jī)數(shù)生成器Rand生成S個(gè)不同隨機(jī)數(shù)q以及S個(gè)不同隨機(jī)數(shù)r，其中，并計(jì)算公鑰pk=T，Wi=pqi+p1ri。本文已將公鑰用可替代的一個(gè)隨機(jī)矩陣代替，以方便計(jì)算。

（2）加密：用戶隨機(jī)生成其中x=|q|，%`=|r|，x=%d，%`<%d。對(duì)于給定的明文m∈[0，2%]]，%]<%[，運(yùn)行加密算法Enc，密文c，密文c，

其中，為一隨機(jī)向量。

（3）解密：給定密文c和密鑰k，運(yùn)行解密算法，得

。

2矩陣全同態(tài)加密方案簡(jiǎn)介

矩陣全同態(tài)加密方案是由密鑰生成算法KryGen、加密算法Enc、解密算法Dec以及矩陣加法和矩陣乘法H孀槌傻奈逶镕HME={KryGen，Enc，Dec，H鎪，各算法詳細(xì)如下：

（1）密鑰生成：給定安全參數(shù)n，運(yùn)行密鑰生成算法得到sk←KryGen（1n），其中為矩陣的一維的元素個(gè)數(shù)，KryGen是一個(gè)生成隨機(jī)可逆矩陣和求可逆矩陣逆的算法，其中

。

（2）加密：對(duì)于任意的矩陣M∈n譶，使用加密算法得密文C=Enc（sk，M）=PH鍹H鍼-1，很容易得知C∈n譶。

（3）解密：對(duì)于任意的密文矩陣C∈n譶，使用解密算法得M=Dec（sk，C）=P-1H鍹H鍼。

本系統(tǒng)能夠有效地驗(yàn)證每一個(gè)選民的身份及其合法性，避免了一人多投、一票多投等可能存在的不安全問(wèn)題，基于身份的簽名技術(shù)保證了記錄的選票為選民自己的。隨著“云計(jì)算”和“大數(shù)據(jù)”時(shí)代的來(lái)臨，本系統(tǒng)利用委托計(jì)算方案可以將選票委托到第三方進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱艷琴，靳方元，張娟. 基于A-GCDP困難性的矩陣同態(tài)加密方案.系統(tǒng)仿真學(xué)，2013，25（4）：699-703.

[2] 一種矩陣全同態(tài)加密算法、發(fā)明專利，2012，受理號(hào)：201210287976.2.