Hyperledger Fabric 기반 다조직 합의 암호화·검증 가능 전자투표 프로토타입
Encrypted and Verifiable Voting on Hyperledger Fabric 2.5:
A Research Prototype for the Verification Paradox and Coercion-Resistance Evaluation
전자투표 시스템은 투표 비밀성, 검증 가능성, 강압 저항성 간의 구조적 긴장을 본질적으로 내포합니다. 유권자는 자신의 투표가 정확히 포함되었는지 검증할 수 있어야 하나, 이러한 검증 정보가 제3자에게 증거로 제공될 경우 선거 이후 협박의 근거가 됩니다. 본 연구는 이러한 긴장을 검증 역설(Verification Paradox) 로 정의합니다.
Mongbas는 Hyperledger Fabric 2.5 기반 3개 조직 컨소시엄 위에 2-of-3 보증 정책, credential-bound nullifier, Exponential ElGamal 동형 집계, Zero-Knowledge Proof, 독립 election bundle verifier를 구현한 연구용 전자투표 프로토타입입니다. 불투명 deniable-proof와 PDC 분리도 실험하지만, 이를 전체 강압 저항성의 증명으로 간주하지 않습니다.
| 기능 | 설명 |
|---|---|
| 다조직 합의 (2-of-3) | 3개 MSP의 2-of-3 보증 정책 구현. 기본 Docker 배포는 단일 호스트 에뮬레이션이며 기관 독립성 증거가 아님 |
| Exponential ElGamal 동형 집계 | 개별 ballot 평문을 열지 않고 후보별 암호문을 집계하고 threshold partial proof로 검증 |
| Chaum-Pedersen ZKP | 이접적 OR-증명(CDS'94)으로 투표 유효성을 후보 선택 노출 없이 증명 |
| Benaloh Challenge | AES 준비 ballot의 audit/spoil 상태를 commit하고 브라우저 재검증. 실제 vector-v3 cast와 동일 암호 경로로 통합하는 작업은 진행 중 |
| Authenticated DKG + threshold decryption (2-of-3) | X25519-encrypted/Ed25519-signed Feldman contributions, three MSP transcript approvals, trustee-local shares, and CP-proved external partials. Signed complaints abort fail-closed; robust automatic exclusion remains future work |
| 부인 가능 검증 (Deniable Verification) | 불투명 lookup capability과 8,192-byte 고정 응답으로 기존 API oracle를 제거. PDC/backend 공모·재투표 패턴은 미해결 |
| Merkle Tree 검증 | 투표 포함/배제를 암호학적으로 증명 (E2E Verifiability) |
| Nullifier 기반 재투표 | 동일 nullifier로 재투표 시 기존 기록 덮어쓰기 — 강압 후 자유 의사 반영 가능 |
네트워크는 ElectionCommission(선거관리위원회), PartyObserver(참관정당), CivilSociety(시민단체) 3개 조직으로 구성됩니다. 정렬 서비스는 etcdraft 4노드 CFT 아키텍처를 채택하며, 핵심 트랜잭션은 2-of-3 보증 정책을 요구하여 단일 기관이 투표 기록이나 집계 결과를 일방적으로 갱신할 수 없습니다.
데이터는 공개 원장과 PDC(Private Data Collection) 의 두 계층으로 분리됩니다. 공개 원장에는 nullifier 해시, 암호화된 ballot, proof, Merkle root 등이 남고, PDC에는 투표 private data·credential type·deniable lookup target 등이 격리됩니다. PDC는 오더러에게 전달되지 않지만 인가된 피어/운영자는 읽을 수 있으므로 untappable channel이나 강압 저항성 증거로 간주하지 않습니다.
- 자격증명 발급자가 선거별 결합값을 서명하고, 브라우저가
nullifierHash = SHA256(nullifierMaterial || electionID || blindingFactor)를 산출합니다. 체인코드도 서명된 값으로 이를 독립 재계산합니다. - 선택한 후보를 Exponential ElGamal으로 암호화하고, 이접적 Chaum-Pedersen ZKP를 생성합니다.
- 암호문 + ZKP + nullifier를 Transient Map으로 제출합니다 (오더러 및 공개 원장에 기록되지 않음).
- 보증 피어는 입력 형식, 선거 상태, 자격 증명을 검증한 뒤, nullifier 중복 처리(Last-Vote-Wins)를 수행합니다.
- ZKP 유효성을 검증한 후, 공개 원장에는 nullifier + 암호문 + 커밋먼트를, PDC에는 투표자 ID + 자격 증명 유형을 저장합니다.
유권자 브라우저는 256-bit 검증 receipt nonce와 정상/패닉 비밀번호로 서로 다른 domain-separated lookup capability를 만듭니다. 비밀번호와 실제 ballot nullifier는 proof API에 전송되지 않습니다.
- 정상 capability → 실제 ballot의 Merkle 포함 증명
- 패닉 capability → 선거 생성 시 추가된 더미 ballot의 유효한 Merkle 포함 증명
최초 Linux 공격 평가는 요청 nullifier 일치와 body size로 모드를 각각 100% 분류했습니다. 0e8f63c/chaincode sequence 12 보완 후에는 100개 응답의 target nullifier 노출이 0개였고, 고정 8,192-byte body와 timing의 held-out classifier가 모두 15/30(50%)이었습니다. 이는 동일 호스트 API transcript oracle만 보완했음을 의미합니다. PDC/backend 공모, 자격증명 강요, forced abstention, 재투표/참여 패턴은 남아 있으므로 전체 강압 저항성은 아직 unverified입니다.
이 프로젝트는 7대 전자투표 보안 속성을 목표로 개발 중이지만, 현재 7/7이 독립적으로 완전 검증되었다고 주장하지 않습니다. GetSecurityProperties는 구현 기능을 나열하는 자기 선언일 뿐 보안 증명이 아닙니다.
| 속성 | 현재 구현·증거 | 주요 미해결 조건 |
|---|---|---|
| Ballot secrecy | vector ElGamal, authenticated DKG, threshold partial decryption, ballot proof, per-Unix-account custody option | separate physical administrators/HSMs, metadata privacy game, key deletion |
| Cast-as-intended | audit-or-cast 기능 및 E2E 테스트 | 엄격한 상태기계·독립 audit 증거 |
| Recorded-as-cast | Merkle inclusion, 서명 checkpoint·Mac witness의 prefix/fork 탐지 | complaint protocol과 독립 운영 witness |
| Tallied-as-recorded | 후보별 동형 집계, 2-of-3 partial proof, tamper tests | 더 넓은 공모·장애 평가 |
| Universal verifiability | standalone suite 77/77, v1/v2/v4/v5 Python/OpenSSL 교차 검증, tamper corpus, Linux·Mac witness | 실제 기관별 독립 키/운영 검증 |
| Eligibility | election-bound credential/nullifier 검증, 선거별 append-only revocation 구현 | 실제 등록부 연동, 익명 accumulator non-revocation proof, issuer 공모·직접 Fabric 공격 증거. 예측 가능한 demo### 계정은 자격 검증 증거에서 제외 |
| Coercion resistance | opaque proof API의 100-sample transcript gate 통과, panic/revote prototype | PDC/backend 공모, credential surrender, forced abstention, revote/participation hiding |
| 관리자 — 선거 생성 | 투표자 — 후보 선택 |
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| 검증자 — E2E 검증 | 보안 속성 — 구현 현황(독립 검증 진행 중) |
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| Layer | Technology |
|---|---|
| Blockchain | Hyperledger Fabric 2.5 (etcdraft CFT, 4 Orderer) |
| State DB | CouchDB 3.4 |
| Smart Contract | Go 1.25.7 module — chaincode/voting/voting.go |
| Backend API | Node.js 22.12+ + Express + @hyperledger/fabric-gateway |
| Frontend | React 18 + Vite + Tailwind CSS |
| Cryptography | Exponential ElGamal, Chaum-Pedersen ZKP, Shamir SSS, Merkle Tree, HMAC/Ed25519 |
| Benchmarking | Hyperledger Caliper 0.6 |
| Container | Docker + docker compose v2 |
📖 상세 실행 가이드(도커 설치 → Fabric 부트스트랩 → 데모 원클릭 → 개발모드 → 쇼케이스 → 트러블슈팅): docs/RUN_GUIDE.md 부스 데모 실행기는 네트워크·빌드·백엔드를 구성합니다. 공개 터널은 명시적 opt-in이 필요하며, 현재 원격 실증은 tailnet 내부 Tailscale Serve를 사용합니다.
- Docker + docker compose v2
- Node.js 22.12+
- Go 1.25.7+ (현재 chaincode
go.mod기준) - Hyperledger Fabric 2.5 binaries (
cryptogen,configtxgen,peer,orderer)
검증된 Ubuntu 평가 환경에서는 체크섬을 고정한 bootstrap을 사용합니다. 기존 runtime/ledger가 있는 호스트에서는 먼저
deploy/linux/README.md의 보존 절차를 확인하세요../deploy/linux/bootstrap.sh
git clone https://github.com/SuBeen-Cho/blockchain_mongbas.git
cd blockchain_mongbascd network
./scripts/network.sh up # 인증서 생성 + 채널 생성 + 컨테이너 기동첫 up은 추적되지 않는 network/.env에 CouchDB 및 CA bootstrap 값을 난수로 생성하고 mode 0600으로 보호합니다. 파일이 이미 있으면 덮어쓰지 않습니다. 이 파일을 Git에 추가하거나 다른 호스트와 공유하지 마세요. 기존 원장이 있는 환경에서는 .env를 재생성하거나 인증값을 임의로 바꾸지 말고 보존·회전 절차를 먼저 수립해야 합니다.
./scripts/network.sh deploy # 체인코드 패키징 + 설치 + 승인 + 커밋 (자동)cd ../application
cp .env.example .env # 환경변수 설정 (.env.example 참고)
npm ci --omit=dev --omit=optional
npm start # http://localhost:3000cd ../frontend
npm ci
npm run dev # http://localhost:5173cd network
./scripts/network.sh down --confirm-destroy-ledger # 컨테이너 중지 + 볼륨/원장 삭제
./scripts/network.sh clean --confirm-destroy-ledger # 인증서·채널 아티팩트·볼륨/원장 전체 삭제| 증상 | 해결 |
|---|---|
peer lifecycle 명령 실패 |
fabric-samples/bin이 $PATH에 포함되어 있는지 확인 |
| 체인코드 배포 시 시퀀스 에러 | 먼저 현재 definition/승인 상태를 진단한다. 원장 폐기가 승인된 경우에만 ./scripts/network.sh clean --confirm-destroy-ledger 후 up → deploy 재실행 |
| CouchDB 연결 실패 | docker ps로 CouchDB 컨테이너 상태 확인, 포트 충돌 여부 점검 |
| 프론트엔드 API 연결 실패 | .env의 CORS_ORIGIN에 http://localhost:5173 추가 |
최근 Linux 부하·verifier·원격 QR 평가의 측정 방법, 결과와 한계는 docs/experiment-results에 정리했습니다.
| Round | Target TPS | Success | Avg Latency | Throughput |
|---|---|---|---|---|
| Low | 1 TPS | 48 | 2.14s | 1.0 TPS |
| Mid | 5 TPS | 100 | 1.39s | 4.7 TPS |
| High | 10 TPS | 148 | 1.34s | 9.6 TPS |
| 시나리오 | 결과 |
|---|---|
| A. 단일 조직 endorsement 시도 | 지원되는 직접-Fabric corpus에서 거부됨. 모든 선관위 조작을 차단한다는 증거는 아님 |
| B. 동일 credential 재투표 | 선언된 last-vote-wins/eviction 동작을 시험. 익명성·강압저항성 증거는 아님 |
| C. 강압 투표 API | 수정 전 100% 분류 재현; 수정 후 target 노출 0/100, size/timing held-out 각 50%. 전체 강압 저항성은 미검증 |
| D. 임계값 미만 share | 선언된 DKG 벡터에서 1-share 복원 실패, 2-share exact tally 성공. 단일-host root 공모 한계는 남음 |
| E. 게시판·bundle 변조 | 선언된 mutation corpus를 verifier가 거부. 모든 결과 조작에 대한 보편적 정확도 주장은 아님 |
대용량 원시 로그와 운영 자료는 비공개 연구 보관소에 두고, GitHub에는 민감정보를 제거한 결과표와 재현 절차만 공개합니다.
2026 캡스톤디자인
