The DEMOS family of e-voting systems
Authors: Ζαχαρίας Θωμάς 
Published: September 2021

Τις τελευταίες δεκαετίες, τα συστήματα ηλεκτρονικής ψηφοφορίας (e-voting systems) έχουν προταθεί ως μία υποσχόμενη τεχνολογία για τη διεξαγωγή δημοκρατικών διαδικασιών στα πλαίσια της Ψηφιακής Εποχής. Τα βασικά τους πλεονεκτήματα συνίστανται στη διευκόλυνση της συμμετοχής κοινωνικών ομάδων που αντιμετωπίζουν φυσικά εμπόδια και κινησιακές δυ-σκολίες, καθώς και στη μείωση του κόστους και του απαιτούμενου χρόνου της εκλογικήςδιαδικασίας σε σημαντικό βαθμό. Μέχρι σήμερα, τα συστήματα ηλεκτρονικής ψηφοφορίαςέχουν εφαρμοστεί τόσο σε πιλοτικά πειράματα όσο και σε εκλογές σε περιφερειακό καιεθνικό επίπεδο. Εντούτοις, έχουν υπάρξει αντικείμενα ενίοτε έντονης κριτικής κυρίως λόγωζητημάτων ασφάλειας που εγείρονται από τη χρήση πιθανώς διαβλητών υπολογιστικώνσυσκευών.Η παρούσα διατριβή μελετά το αντικείμενο της ηλεκτρονικής ψηφοφορίας από τη σκοπιάτης σύγχρονης κρυπτογραφίας. Η σημαντικότερη συνεισφορά της είναι η εισαγωγή συστημάτων που επιτυγχάνουν για πρώτη φορά άμεση επαληθευσιμότητα (end-to-end verifiability) στο standard μοντέλο. Η άμεση επαληθευσιμότητα είναι μια ισχυρή ιδιότητα ασφάλειας, σύμφωνα με την οποία ο ψηφοφόρος μπορεί να επαληθεύσει την ακεραιότητα της εκλογικής διαδικασίας χωρίς να εναποθέτει εμπιστοσύνη σε καμία εκλογική αρχή. Η άμεση επαληθευσιμότητα στο standard μοντέλο υποδηλώνει ότι για την επαλήθευση δεν απαιτείται η υπόθεση κάποιας έμπιστης παραμέτρου στο εκλογικό περιβάλλον. Προγενέστερα της παρούσας διατριβής, όλα τα κορυφαία συστήματα ηλεκτρονικής ψηφοφορίας (π.χ. SureVote, JCJ, Prêt à Voter, Helios, Scantegrity κ.ά.) προϋπέθεταν αδιάβλητες συσκευές ψηψοφορίας,το μοντέλο τυχαίου μαντείου (random oracle model), ή την ύπαρξη μίας έμπιστης πηγής τυχαιότητας (randomness beacon) για την εξασφάλιση της άμεσης επαληθευσιμότητας.Κατά συνέπεια, η ύπαρξη ενός συστήματος με άμεση επαληθευσιμότητα στο standardμοντέλο παρέμενε ανοιχτό ερώτημα.Το παραπάνω ερώτημα απαντάται καταφατικά στην παρούσα διατριβή με την παρουσίασητων συστημάτων ηλεκτρονικής ψηφοφορίας DEMOS-A και DEMOS-2, τα οποίαακολουθούν διαφορετικές κατευθύνσεις ως προς το στο σχεδιασμό τους ενώ εμφανίζουν συμπληρωματικά πλεονεκτήματα και αδυναμίες. Στην καρδιά και των δύο συστημάτων εντοπίζεται ένας μηχανισμός εξαγωγής τυχαιότητας, απαιτούμενης για την άμεση επαληθευσιμότητα, από την εντροπία που παράγεται από τη διάδραση των ψηφοφόρων με το σύστημα. Η προκείμενη εντροπία είναι εσωτερική ως προς το περιβάλλον ψηφοφορίας, εξαλείφοντας έτσι την ανάγκη ύπαρξης μιας εξωτερικής πηγής τυχαιότοτητας. Για την αυστηρή ανάλυση ασφάλειας των DEMOS-A και DEMOS-2, η παρούσα διατριβήπροτείνει ένα πλήρες κρυπτογραφικού πλαισίου το οποίο προσθέτει στη βιβλιογραφία μία υψηλών προδιαγραφών μεθοδολογία για τη μελέτη των συστημάτων ηλεκτρονικής ψηφοφορίας και μπορεί να θεωρηθεί ως επιπρόσθετη συνεισφορά της παρούσας διατριβής. Το εν λόγω πλαίσιο επεκτείνεται σύμφωνα με το ceremony μοντέλο σύμφωνα με την προσέγγιση στο έργο του Ellison το 2007. Σε ένα ceremony ηλεκτρονικής ψηφοφορίας, οι ανθρώπινες οντότητες διαχωρίζονται από τις συσκευές και λειτουργούν ως μηχανές πεπερασμένων καταστάσεων (transducers) περιορισμένης ισχύος. Ως υπόδειγμα μελέτης ενός ceremony ηλεκτρονικής ψηφοφορίας, παρούσα διατριβή μελετά την ασφάλεια του ευρέως εφαρμοσμένου συστήματος ηλεκτρονικής ψηφοφορίας Helios, παρέχοντας τυπικές αποδείξεις αλλά και πειραματικές εκτιμήσεις βασισμένες σε πραγματικά δεδομένα και προσομοιώσεις.