基于零知識證明的智能合約投票系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

殷紅建，朱 巖，王 靜，郭光來，陳 娥?

1) 北京科技大學(xué)計算機(jī)與通信工程學(xué)院，北京 100083 2) 海信集團(tuán)控股股份有限公司，青島 266071

智能合約作為第二代區(qū)塊鏈技術(shù)的核心，其本質(zhì)是部署在區(qū)塊鏈上的一系列可執(zhí)行數(shù)字協(xié)議.智能合約兼顧區(qū)塊鏈和合約的雙重屬性，具有去中心化、不可篡改、可編程和法律化等特征[1]，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于金融、數(shù)字資產(chǎn)管理等諸多領(lǐng)域[2-5].近年來，隨著支持智能合約開發(fā)的區(qū)塊鏈平臺相繼提出，例如以太坊[6]、根鏈（RootStock）[7]以及Hyperledger Fabric[8]，開發(fā)人員可通過可編程的語言（如Solidity，Java）在這些平臺上實(shí)現(xiàn)對智能合約的開發(fā)、部署和執(zhí)行.然而，區(qū)塊鏈平臺的開放性使得部署在區(qū)塊鏈上的智能合約是公開透明的，因此合約交易中的所有數(shù)據(jù)也都是公開可見的，這勢必引起合約交易中敏感信息的泄露問題.在電子投票合約中，由于合約數(shù)據(jù)涉及用戶的隱私信息且投票內(nèi)容不能公開，因此合約隱私泄露問題尤為突出.

盡管現(xiàn)有智能合約平臺支持密碼機(jī)制（例如橢圓曲線密碼ECC）可用來保護(hù)投票合約中選票內(nèi)容的隱私，但在計票階段仍需對選票解密后再進(jìn)行統(tǒng)計，這將為投票內(nèi)容的隱私帶來威脅.此外，為了避免無效選票對系統(tǒng)的干擾，需在投票之前對選票內(nèi)容的合法性進(jìn)行驗證，并且驗證過程不能泄露投票內(nèi)容信息.顯然，現(xiàn)有智能合約中的密碼機(jī)制不能滿足智能合約投票系統(tǒng)對數(shù)據(jù)隱私及安全性的需求.因此，設(shè)計新的能夠保護(hù)交易隱私的智能投票合約系統(tǒng)是十分必要的和迫切的.

1981 年，Chaum[9]首次提出了安全電子投票系統(tǒng)的概念，此后涌現(xiàn)出了一大批關(guān)于電子投票協(xié)議構(gòu)造以及安全性的研究[10-13].目前為止，盡管人們對其安全性仍存在一定爭論[14]，但電子投票系統(tǒng)已在實(shí)際環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用，甚至被用于國家選舉[15].隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，基于區(qū)塊鏈的電子投票系統(tǒng)被相繼開發(fā).2015 年Zhao與Chan[16]設(shè)計了第一個基于區(qū)塊鏈的電子投票方案，該方案能夠在比特幣網(wǎng)絡(luò)中直接運(yùn)行.隨后，Tarasov 與Tewari[17]基于Zcash 設(shè)計了一個新的電子投票協(xié)議，協(xié)議中投票結(jié)果的正確性由可信任第三方和投票者共同保證.2017 年，McCorry等[18]設(shè)計了第一個去中心化的能夠?qū)崿F(xiàn)自動計票功能的投票協(xié)議，并在以太坊平臺以合約的形式進(jìn)行了實(shí)現(xiàn).然而，該系統(tǒng)僅支持小規(guī)模候選人模式，而對于大范圍投票，該協(xié)議則不再適用.Yu等[19]利用環(huán)簽名技術(shù)設(shè)計了基于智能合約的可驗證投票系統(tǒng)并在Hyperledger Fabric 平臺上進(jìn)行了部署實(shí)現(xiàn).

此外，為防止無效選票對投票系統(tǒng)帶來的干擾，需對選票有效性進(jìn)行驗證.零知識集合成員關(guān)系證明協(xié)議(Zero-knowledge set membership proof protocol,ZSMPP)[20]可為選票有效性驗證提供技術(shù)支持，通過零知識證明技術(shù)，ZSMPP 協(xié)議允許在不泄露選票內(nèi)容的情況下對公開候選人集驗證選票.2008 年，Camenisch 等[20]提出了集合成員關(guān)系判定問題，并基于Strong Diffie-Hellman (SDH)假設(shè)在雙線性群下構(gòu)造了第一個ZSMPP 協(xié)議.隨后，Morais 等[21]利用數(shù)字簽名方案[22]對文獻(xiàn)[20]的證明階段進(jìn)行優(yōu)化，使計算開銷降低到常數(shù)級別.最近，Yin 等[23]基于聚合函數(shù)構(gòu)造了同時支持屬于和不屬于關(guān)系的ZSMPP 協(xié)議，其安全性同樣依賴于SDH 假設(shè).然而，上述協(xié)議功能復(fù)雜且執(zhí)行過程中均需多次雙線性配對運(yùn)算，因此不宜直接移植到資源受限的智能合約投票系統(tǒng)中.

本文主要目標(biāo)是設(shè)計并實(shí)現(xiàn)基于零知識證明的智能合約投票系統(tǒng).通過構(gòu)造輕量化ZKDMP協(xié)議來驗證選票內(nèi)容的有效性；通過對選票進(jìn)行同態(tài)加密操作從而保障選票內(nèi)容的隱私.該系統(tǒng)的以合約形式自動執(zhí)行，無需第三方機(jī)構(gòu)參與.本文主要貢獻(xiàn)可總結(jié)如下：

（1）設(shè)計了智能合約投票系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對投票內(nèi)容的有效性進(jìn)行驗證，以避免無效選票對投票系統(tǒng)的影響.投票過程無需第三方機(jī)構(gòu)參與，實(shí)現(xiàn)去中心化投票以及自動化計票.此外，通過Java開發(fā)工具將投票合約編譯成JAR 包文件，并將投票系統(tǒng)以合約代碼的形式部署到區(qū)塊鏈，通過智能合約實(shí)現(xiàn)整個投票過程自動化執(zhí)行.

（2）為了在選票內(nèi)容有效性驗證過程中保護(hù)投票內(nèi)容的隱私，本文構(gòu)造了一個新的交互式零知識集合成員關(guān)系證明協(xié)議.該協(xié)議通過兩輪交互過程，實(shí)現(xiàn)證明者在不泄露投票內(nèi)容具體信息的情況下，向驗證者證明投票內(nèi)容的有效性，即，投票內(nèi)容是候選者集合中的一個.此外，安全性分析表明，所提協(xié)議在離散對數(shù)困難假設(shè)下具有零知識性.

1 基于零知識證明的智能合約投票系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)框架

本文設(shè)計的智能合約投票系統(tǒng)是基于支持虛擬機(jī)的區(qū)塊鏈環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)運(yùn)行的，投票過程通過合約控制實(shí)現(xiàn)，并通過在智能合約中引入交互式零知識證明來保證投票數(shù)據(jù)驗證過程的隱私性.智能合約投票系統(tǒng)框架如圖1 所示，整個投票系統(tǒng)框架主要分為實(shí)現(xiàn)層、技術(shù)層和合約層三部分.

圖1 智能合約投票系統(tǒng)框架Fig.1 Framework of the smart-contract voting system

（1）實(shí)現(xiàn)層：實(shí)現(xiàn)層由區(qū)塊鏈與基于Java 的雙線性配對密碼庫(Java pairing based cryptography library,JPBC[24])兩部分組成，其中區(qū)塊鏈為智能合約的部署和執(zhí)行提供了運(yùn)行環(huán)境，JPBC 庫則為基于配對的密碼方案的實(shí)現(xiàn)提供了底層環(huán)境.

（2）技術(shù)層：技術(shù)層主要是提供了一種交互式零知識證明以及同態(tài)加密技術(shù).零知識證明技術(shù)用于投票內(nèi)容的有效性驗證，確保投票過程中投票內(nèi)容的隱私性.同態(tài)加密方案用于對選票加密，在計票階段利用同態(tài)性直接對密文進(jìn)行操作，避免解密運(yùn)算，確保投票內(nèi)容的隱私性.

（3）合約層：通過智能合約語言將投票系統(tǒng)以條款的形式進(jìn)行描述，并通過Java 開發(fā)工具將投票合約編譯成計算機(jī)可執(zhí)行的合約代碼形式，最終實(shí)現(xiàn)智能合約投票系統(tǒng)按照預(yù)定規(guī)則自動化執(zhí)行.

1.2 系統(tǒng)模型

本文設(shè)計的智能合約投票系統(tǒng)模型如圖2 所示，整個投票系統(tǒng)是基于支持虛擬機(jī)的區(qū)塊鏈系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計開發(fā)的，取代了以往的第三方投票機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)投票系統(tǒng)的去中心化.

圖2 智能合約投票系統(tǒng)模型Fig.2 Model of the smart-contract voting system

智能合約投票系統(tǒng)執(zhí)行流程如下：首先，投票發(fā)起者創(chuàng)建投票合約，并在合約中指定候選者名單，之后將合約部署到區(qū)塊鏈中；投票者在完成注冊后，可從區(qū)塊鏈中調(diào)用投票合約來進(jìn)行投票，并且在投票之前對選票內(nèi)容的合法性進(jìn)行驗證，驗證通過后將投票結(jié)果加密并按合約規(guī)定上傳選票；當(dāng)所有投票者完成投票后，合約開始計票并將密文狀態(tài)的計票結(jié)果上傳至區(qū)塊鏈；計票結(jié)束后，投票發(fā)起者將從鏈上獲取密文狀態(tài)下的計票結(jié)果，利用自身私鑰解密后，將計票結(jié)果公布到區(qū)塊鏈上.

投票系統(tǒng)是通過智能合約控制實(shí)現(xiàn)的，投票合約在開始執(zhí)行后，整個投票流程會被自動觸發(fā)執(zhí)行，智能合約投票的每一步都會被日志記錄.投票系統(tǒng)可分為初始化、注冊、投票和計票四個階段.

（1）初始化階段：系統(tǒng)初始化階段首先借助JPBC 庫完成對系統(tǒng)參數(shù)的生成，隨后投票發(fā)起者制定投票智能合約并指定候選者名單，隨后將投票合約以JAR 包的形式部署到區(qū)塊鏈.

（2）注冊階段：發(fā)起者在區(qū)塊鏈上完成合約部署之后，投票者需完成系統(tǒng)注冊，注冊完成后，投票者名單會被上傳至區(qū)塊鏈.

（3）投票階段：在投票之初，發(fā)起者需對投票者的投票內(nèi)容進(jìn)行有效性驗證，只有驗證通過，投票才能繼續(xù)進(jìn)行.最后，投票者利用同態(tài)加密技術(shù)對驗證通過的選票進(jìn)行加密，按合約規(guī)定以交易的形式上傳密文狀態(tài)的投票結(jié)果.

（4）計票階段：所有投票者完成投票后，投票合約進(jìn)行計票并將結(jié)果上傳至區(qū)塊鏈.投票發(fā)起者可從區(qū)塊鏈中獲取密文狀態(tài)的計票結(jié)果，利用自身私鑰進(jìn)行解密后以交易的形式公布到區(qū)塊鏈上.

2 零知識集合成員關(guān)系證明協(xié)議

零知識證明是指證明者在不向驗證者透露秘密值的前提下，使驗證者相信自己確實(shí)持有該秘密.基于此，將零知識證明引入智能合約可保證合約中數(shù)據(jù)的隱私性，同時由于智能合約具有觸發(fā)自動執(zhí)行的特點(diǎn)，合約狀態(tài)總是可以被保留下來，這就為交互式零知識證明的實(shí)現(xiàn)提供了運(yùn)行平臺.

2.1 提出的協(xié)議

本文基于離散對數(shù)假設(shè)構(gòu)造一個新的零知識集合成員關(guān)系證明協(xié)議(ZSMPP).該協(xié)議涉及證明者和驗證者兩方，通過兩方交互，實(shí)現(xiàn)證明者在不透露任何消息的情況下，向驗證者證明其擁有的元素屬于一個公開的集合，具體協(xié)議描述如下.

設(shè) Zp是 階數(shù)為p的 整數(shù)群，H為 哈希算法，g是橢圓曲線上一個隨機(jī)生成元，公開集合M表示為M={m1,m2,···,mn}.證明者P 欲向驗證者V 證明自己持有的元素m是 公開集中的某一個，即m∈M，但是不透露元素m本身的信息.

初始條件，證明者P 和驗證者V 共享消息集M，V 擁有安全哈希算H，交互過程如圖3 所示：

圖3 零知識集合成員關(guān)系證明協(xié)議Fig.3 Zero-knowledge set membership proof protocol

（1）P→V：證明者P 首先選取兩個隨機(jī)數(shù)ω,α ∈Zp作為自己的私鑰，計算Commit=(x,y)，其中x=gω，y=gαgm，然后將x和y發(fā)送給驗證者；

如果驗證結(jié)果失敗，驗證者輸出結(jié)果為“0”，則表示驗證者V 將駁回P 的證明并且結(jié)束方案；如果檢驗成功，結(jié)果返回為“1”，則表示V 將接收證明者的證明.經(jīng)過上述雙方交互過程，P 向V 證明了自己擁有秘密m但 未向V 透露關(guān)于m任何信息.

2.2 協(xié)議安全性分析

（1）完全性.

在提出的交互式證明協(xié)議中，若證明者P 的消息m確實(shí)屬于消息集M且P 能夠遵守協(xié)議指令完成交互，那么V 總是能夠接受P 的證明.

證明：設(shè)g是 橢圓曲線群的一個生成元，由協(xié)議中步驟（4）可知：

在步驟（3）中計算時aj規(guī)定mj∈M且mj≠m，又由于P 能夠遵守協(xié)議指令完成交互，則必有m=mn，又由于y=gαgm以及 γn=ω-αμn，則有

從而可以得出步驟（6）中驗證等式成立.

（2）零知識性.

證明者P 的私鑰 (ω,α)僅自己持有，在交互式證明過程中，證明者將包含消息的承諾y=gαgm發(fā)送給驗證者V，由于計算離散對數(shù)問題是困難的，因此在交互過程中，除了關(guān)于消息m的承諾之外，證明者無法獲取其他任何信息，這保證了整個交互過程中消息m的零知識性.

3 投票智能合約

在設(shè)計和實(shí)現(xiàn)智能合約投票系統(tǒng)之前，我們首先給出具體投票合約.本節(jié)將采用智能合約規(guī)范語言SPESC[25]，對投票系統(tǒng)的初始化、注冊、投票和計票四個階段的觸發(fā)條件以及執(zhí)行過程進(jìn)行合約化描述.

如圖4 所示，投票智能合約包括發(fā)起者（Initiator）和投票者（Voter）兩個參與方.該合約包含5 個條款（Term），條款1 表示在投票發(fā)起人進(jìn)行參數(shù)初始化（initParam）之后，可指定候選者名單（對應(yīng)candidateForm 算法）；條款2 表示在發(fā)起者指定候選者名單之后，投票者進(jìn)行注冊（voterRegist）；條款3 描述的是在投票者注冊完成之后，必須與發(fā)起者進(jìn)行交互式ZSMPP 來驗證選票的有效性；條款4 表示當(dāng)ZSMPP 輸出為“1”時投票者利用Boneh、Goh 和Nissim 提出的 加密算 法[26]（簡 稱BGN 算法）對投票內(nèi)容進(jìn)行加密；條款5 表示發(fā)起人在所有投票者完成投票之后，合約進(jìn)行計票（對應(yīng)voteResult 算法），最終發(fā)起者對計票結(jié)果進(jìn)行解密獲取投票最終結(jié)果.合約中條款僅描述了投票各個階段的觸發(fā)條件以及執(zhí)行的算法，具體算法描述將在下節(jié)中給出.

圖4 SPESC 語言編寫的投票智能合約Fig.4 Voting contracts written in SPESC language

智能合約最終將被部署到區(qū)塊鏈平臺進(jìn)行自動化執(zhí)行，如圖5 所示，部署過程可分成兩個階段：首先利用Java 開發(fā)工具將投票系統(tǒng)中的相關(guān)算法編譯成Java Archive (JAR)格式的智能合約代碼；隨后，將JAR 包上傳至區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò).在發(fā)起者和投票者的共同參與下，最終合約按照預(yù)定規(guī)則自動執(zhí)行.

圖5 智能合約部署流程Fig.5 Deployment process of smart contract

4 智能合約投票系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

本節(jié)將具體介紹智能合約投票系統(tǒng)以及實(shí)現(xiàn)過程，為了便于后續(xù)敘述，首先給出投票系統(tǒng)中涉及的部分符號及其相關(guān)說明，具體如表1 所示.

表1 符號說明表Table 1 Notation declaration

本節(jié)將基于區(qū)塊鏈系統(tǒng)環(huán)境，根據(jù)投票系統(tǒng)所需的初始化、注冊、投票以及計票四個部分，對智能合約投票系統(tǒng)的設(shè)計以及實(shí)現(xiàn)流程進(jìn)行詳細(xì)的闡述.

4.1 初始化階段

初始化階段由合約發(fā)起者執(zhí)行，如圖6 所示.首先需要完成系統(tǒng)參數(shù)生成，生成橢圓曲線乘法循環(huán)群G和整數(shù)群 Z，再根據(jù)群G產(chǎn)生生成元g∈G.群G和 Z的生成是基于JPBC 庫實(shí)現(xiàn)的，其中JPBC中的橢圓曲線選取Type A 類型，如表2 中算法所示.

圖6 智能合約投票系統(tǒng)初始化階段Fig.6 Initialization of the smart-contract voting system

表2 initParam 算法Table 2 initParam algorithm

該算法以群G的階數(shù)rbit和 Z的階數(shù)qbit作為輸入，通過TypeACurveGenerator()生成TypeA 生成器，利用TypeA 生成器得到雙線性對參數(shù)，再通過getPairing()獲取雙線性對，最后由雙線性對生成橢圓曲線乘法循環(huán)群和整數(shù)群，生成元g是在橢圓曲線群上隨機(jī)生成的.

接下來，合約發(fā)起者需在合約中指定候選者名單，如表3 所示.該算法輸入一個數(shù)組params，數(shù)組中的每個元素對應(yīng)候選者wj的地址，該地址是候選者的唯一標(biāo)識.假設(shè)有n個候選者，則算法newNum 返回一個整數(shù)z且滿足 2z＞n，第k位候選者的投票編號為 2k·z，例如，當(dāng)投票者選擇候選者1 時，對應(yīng)的候選者的編號是 2z，算法返回候選者的候選列表candidateList，大小為n，候選列表中包括候選者的地址，編號以及所得的票數(shù)（初始化值為0），并且會在結(jié)果集resultMap 中存放所有候選者及對應(yīng)的票數(shù).

表3 candidateForm 算法Table 3 candidateForm algorithm

候選者名單指定完成后，合約發(fā)起者需將投票合約以JAR 包的形式部署到區(qū)塊鏈上.圖7 為智能合約發(fā)布的結(jié)果，其中“address”表示合約地址字段，“txid”表示合約交易id 字段.

圖7 智能合約發(fā)布結(jié)果Fig.7 Results of smart contract release

圖8 描述了初始化合約結(jié)果，合約部署完成且初始化后，可看到當(dāng)前投票者和候選者的信息.字段“votersData”代表投票者數(shù)據(jù)，其中字段“voter-Txid”為投票者交易的id，從交易中可獲取投票者名單的信息，在合約初始后，投票者名單為空.字段“candidateData”代表候選者信息，“candidateTxid”代表候選者交易id，查看交易id 可獲取候選者名單信息.

圖8 智能合約初始化結(jié)果Fig.8 Results of smart contract initialization

4.2 注冊階段

當(dāng)投票合約在區(qū)塊鏈上完成部署后，投票者vi若想獲得投票資格，則需進(jìn)行注冊.如圖9 所示，投票者需先進(jìn)行注冊并獲取合約，投票者可從區(qū)塊鏈上查詢當(dāng)前人員信息，包括獲取到當(dāng)前投票者和候選者名單.

圖9 智能合約投票系統(tǒng)注冊階段Fig.9 Registration of the smart-contract voting system

投票者的注冊過程如表4 中算法所示，算法輸入為數(shù)組params，數(shù)組中存放著作為投票者的唯一標(biāo)識地址，最后算法返回投票者列表voterList.注冊完成之后，列表中將包含投票者地址以及投票者的投票狀態(tài)（初始值為false），此時投票者可從區(qū)塊鏈中查詢候選人名單和當(dāng)前投票者名單.

表4 voterRegist 算法Table 4 voterRegist algorithm

4.3 投票階段

投票者從區(qū)塊鏈上獲取候選人信息后，開始進(jìn)行投票.投票過程借助于區(qū)塊鏈完成，如圖10所示，在投票的前期，投票者vi生 成公私鑰對＜ski,pki＞，公鑰是橢圓曲線乘法循環(huán)群G中的元素，私鑰是整數(shù)群Z 中的元素.在投票過程中，需對投票者的投票內(nèi)容進(jìn)行有效性驗證，驗證過程調(diào)用交互式零知識集合成員關(guān)系證明協(xié)議ZSMPP，協(xié)議經(jīng)過兩輪交互對投票內(nèi)容有效性進(jìn)行驗證.在交互過程中，投票者相當(dāng)于協(xié)議中的證明者，合約發(fā)起者相當(dāng)于協(xié)議中的驗證者.接下來對投票階段的參數(shù)生成、承諾生成、兩輪交互以及驗證給出具體介紹.

圖10 智能合約投票系統(tǒng)投票階段Fig.10 Voting of the smart-contract voting system

令M={m1,m2,···,mn}投票內(nèi)容(候選者)組成的集合，其中mi是候選者的編號，接下來投票者vi證 明自己的投票內(nèi)容numi屬于投票集合M.投票者首先利用自己的公私鑰生成承諾，如表5 中算法所示，輸入投票者的地址address 以及投票者的投票號num，其中地址作為投票者的身份標(biāo)識，根據(jù)地址判斷投票者是否在注冊者名單內(nèi)，若不在名單內(nèi)，則算法終止；若在注冊名單中，則可以開始投票.投票者生成自己的私鑰 sk=(sk1,sk2)以及公鑰 pk=(pk1,pk2)，其中 pk1=gsk1，pk2=gsk2，根據(jù)投票者的投票號對應(yīng)候選者編號，newNum 函數(shù)返回一個整數(shù)z且 滿足 2z＞n，例如，當(dāng)投票者的投票號為2 時，對應(yīng)的候選者的編號wid 為 22·z.最后，該算法生成承諾Commit=(x,y)=(pk1,pk2·gwid)并將其以交易的形式存放到區(qū)塊鏈中.

表5 generateCommit 算法Table 5 generateCommit algorithm

合約發(fā)起者在查詢區(qū)塊鏈得到承諾后，開始執(zhí)行ZSMPP 中的第一輪交互并生成對應(yīng)挑戰(zhàn)碼其中 γj,μj∈Zp.如圖11 所示，在智能合約輸入中，generateChallenge1 為函數(shù)，輸入?yún)?shù)為合約發(fā)起者的地址，在合約輸出字段中，“userResult”表示第一輪挑戰(zhàn)碼，其中R={γ1,γ2,···γn-1}，U={μ1,μ2,···μn-1}.挑戰(zhàn)碼生成后將發(fā)布到區(qū)塊鏈中.

圖11 第一輪挑戰(zhàn)碼對應(yīng)的交易Fig.11 Transaction of the first challenge

如表6 中算法所示，算法generateChallenge2 計算集合A中 所有元素與x的和，利用哈希函數(shù)對和求哈希，最后返回第二輪的挑戰(zhàn)碼miuN，然后發(fā)布交易到區(qū)塊鏈.投票者從區(qū)塊鏈中獲取第二輪的挑戰(zhàn)碼之后，利用自身私鑰 sk=(sk1,sk2)計 算γn=sk1-sk2μn并 生成第二輪挑戰(zhàn)碼gamaN(γn).如圖12所示，在合約輸入中，generateResponse2 為函數(shù)，輸入?yún)?shù)是投票者的地址，合約將輸出第二輪的響應(yīng)碼gamaN.最后，合約發(fā)起者收到第二輪響應(yīng)碼之后，會驗證等式

表6 generateChallenge2 算法Table 6 generateChallenge2 algorithm

圖12 第二輪響應(yīng)碼對應(yīng)的交易Fig.12 Transaction of the second response

對投票者投票內(nèi)容的有效性進(jìn)行驗證.若驗證失敗，則終止投票；否則，投票者對投票內(nèi)容進(jìn)行加密并將投票狀態(tài)改為true.

4.4 計票階段

當(dāng)選票有效性通過驗證后，投票者將通過BGN 同態(tài)加密算法[26]對其進(jìn)行加密處理.如圖13所示，BGN(wj)表示第i位投票者對第j位候選者投票結(jié)果對應(yīng)的密文.當(dāng)所有投票者完成投票后，合約將執(zhí)行計票程序.

圖13 智能合約投票系統(tǒng)計票階段Fig.13 Vote-counting of the smart-contract voting system

表7 中算法描述了投票者對投票內(nèi)容加密以及合約計票過程.其中BGN 算法滿足加法同態(tài)性，即BGN(w1)+BGN(w2)=BGN(w1+w2).合約統(tǒng)計所有候選者wj的 最終投票結(jié)果表示為result(wj)=BGN1(wj)+BGN2(wj)+···+BGNs(wj)并上傳到區(qū)塊鏈上.

表7 voteResult 算法Table 7 voteResult algorithm

5 投票協(xié)議安全特性與性能分析

5.1 安全特性分析

接下來將對本文提出的基于零知識證明的智能合約投票系統(tǒng)安全特性進(jìn)行分析，具體如下：

（1）選票有效性.

指選票內(nèi)容是候選者集合中的一員，通過執(zhí)行零知識集合成員證明協(xié)議，判定選票內(nèi)容有效性，若選票內(nèi)容不屬于候選者集合，則終止投票活動.

（2）選票隱私性.

主要考慮所選候選人的隱私.在有效性驗證階段，ZSMPP 協(xié)議的零知識性可以保證驗證過程不泄露選票信息.此外，計票是對密文狀態(tài)下的選票進(jìn)行同態(tài)運(yùn)算，選票的隱私性基于安全的BGN同態(tài)加密算法實(shí)現(xiàn).

（3）唯一性.

每個注冊投票者初始投票狀態(tài)都是false，在完成投票之后該狀態(tài)變成true，整個過程都以交易的形式被記錄在區(qū)塊鏈中，由區(qū)塊鏈的不可篡改性保證了每個投票者只能參與一次投票.

（4）無監(jiān)督性.

投票協(xié)議以智能合約的形式被部署到區(qū)塊鏈平臺并按照預(yù)定規(guī)則自動執(zhí)行，由于區(qū)塊鏈的不可篡改性和共識機(jī)制保證預(yù)定規(guī)則不變性和規(guī)則執(zhí)行的正確性，從而確保投票合約中僅需發(fā)起者和投票者兩個實(shí)體，無需可信監(jiān)票人參與.

（5）自計票性.

協(xié)議計票過程由智能合約按照事先制定的規(guī)則自動化執(zhí)行，當(dāng)觸發(fā)計票條件，即所有投票者完成投票后，合約自動執(zhí)行voteResult 算法對密文狀態(tài)的選票進(jìn)行同態(tài)運(yùn)算并將密態(tài)計票結(jié)果上傳至區(qū)塊鏈.

表8 展示了本文提出的投票協(xié)議與現(xiàn)有4 個投票方案之間關(guān)于安全特性的對比，從結(jié)果中不難發(fā)現(xiàn)，僅有文獻(xiàn)[10]和本文提出的方案能夠?qū)崿F(xiàn)對投票內(nèi)容的有效性驗證，然而該文投票過程需要在可信監(jiān)票人的參與下完成.文獻(xiàn)[11]提出的投票方案雖然能夠追蹤到實(shí)施重復(fù)投票的攻擊者，但犧牲了投票的唯一性特征.此外，本文計票過程由智能合約程序自動完成，而文獻(xiàn)[10～12]則需要投票發(fā)起者或監(jiān)票人參與才能實(shí)現(xiàn).

表8 不同方案之間安全特性對比Table 8 Comparison of security features

5.2 性能分析

本節(jié)將通過仿真實(shí)驗對提出的智能合約投票協(xié)議的性能進(jìn)行分析，實(shí)驗運(yùn)行在2.6 GHz 英特爾CPU 和8 GB 內(nèi)存的64 位Ubuntu 16.04 操作系統(tǒng)上.基于交互式零知識證明的的智能合約投票系統(tǒng)運(yùn)算效率主要取決于投票階段和計票階段，本節(jié)將從以下兩方面來對投票系統(tǒng)進(jìn)行性能評估，一是針對不同的投票者數(shù)量，對投票系統(tǒng)的投票和計票階段進(jìn)行耗時對比；二是針對不同的候選人數(shù)量，對投票系統(tǒng)的投票和計票階段進(jìn)行耗時對比.

圖14 展示的是當(dāng)候選者數(shù)量為5 時，對不同數(shù)量投票者在投票階段和計票階段的耗時對比圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)投票者數(shù)量達(dá)到500 時，投票和計票過程均能在8000～9000 ms 之間完成.圖15 展示的是當(dāng)投票者數(shù)量為100 時，針對不同數(shù)量的候選者，投票階段和計票階段的耗時對比圖，當(dāng)候選者數(shù)目為20 時，投票和計票時間分別是7784 ms 和9218 ms.實(shí)驗結(jié)果表明，隨著投票者或候選者數(shù)量的增加，投票與計票階段的耗時均呈線性增長，智能合約投票系統(tǒng)能夠高效實(shí)施.

圖14 不同數(shù)量投票者耗時對比Fig.14 Time cost of different numbers of voters

圖15 不同數(shù)量候選者耗時對比Fig.15 Time cost of different numbers of candidates

6 結(jié)論

本文設(shè)計了基于交互式零知識證明的智能合約投票系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)投票過程的去中心化以及計票過程的自動化.基于離散對數(shù)困難假設(shè)，本文構(gòu)造了一個新的交互式零知識集合成員關(guān)系證明協(xié)議，通過將該協(xié)議引入到投票合約的設(shè)計中，實(shí)現(xiàn)投票者在不透露投票內(nèi)容的前提下向發(fā)起者證明投票內(nèi)容的有效性.此外，通過將投票合約編譯成JAR 包，實(shí)現(xiàn)智能合約投票系統(tǒng)在區(qū)塊鏈中的部署和自動化執(zhí)行，保證了投票數(shù)據(jù)的有效性和隱私性.實(shí)驗結(jié)果表明，本文提出的智能合約投票系統(tǒng)在投票和計票階段均可高效實(shí)施.