The DEMOS family of e-voting systems: End-to-end verifiable elections in the standard model

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εισάγει τα συστήματα ηλεκτρονικής ψηφοφορίας DEMOS-A και DEMOS-2 τα οποία επιτυγχάνουν άμεση επαληθευσιμότητα (end-to-end verifiability) για πρώτη φορά. Προγενέστερα της διατριβής, όλα τα κορυφαία συστήματα ηλεκτρονικής ψηφοφορίας (π.χ. SureVote, JCJ, Pret a Voter, Helios, Scantegrity, etc.) προϋπέθεταν το αδιάβλητο των συσκευών ψηφοφορίας, το μοντέλο τυχαίου μαντείου, ή την ύπαρξη μια έμπιστης πηγής τυχαιότητας για την επίτευξη άμεσης επαληθευσιμότητας. Στον πυρήνα των DEMOS-A και DEMOS-2 , βρίσκεται ένας νέος μηχανισμός εξαγωγής τυχαιότητας απαιτούμενης για την επαλήθευση από την εντροπία που παράγουν οι ψηφοφόροι κατά τη συμμετοχή τους στην ψηφοφορία. Η εν λόγω εντροπία είναι εσωτερική ως προς το εκλογικό περιβάλλον, επομένως απαλείφεται η ανάγκη για εμπιστοσύνη σε μία εξωτερική πηγή τυχαιότητας. Η ανάλυση ασφάλειας διεξάγεται υπό ένα νέο κρυπτογραφικό πλαίσιο το οποίο συνιστά επιπρόσθετη συνεισφορά της διατριβής. Τα θεωρήματα άμεσης επαλήθευσιμότητας των DEMOS-A και DEMOS-2 μαρτυρούν μία στενή συσχέτιση του επιπέδου ασφάλειας με την συμπεριφορά του εκλογικού σωμάτος κατά την επαλήθευση. Βάσει αυτού του ευρήματος και της εργασίας του Ellison το 2007, η παρούσα διατριβή επεκτείνει το πλαίσιο μοντελοποιώντας τα συστήματα ηλεκτρονικής ψηφοφορίας ως ceremonies. Ως υπόδειγμα μελέτης ενός ceremony ηλεκτρονικής ψηφοφορίας, η παρούσα διατριβή μελετά την ασφάλεια του καθιερωμένου συστήματος ηλεκτρονικής ψηφοφορίας Helios.This PhD thesis introduces the DEMOS-A and DEMOS-2 e-voting systems that achieve end-to-end verifiability in the standard model for the first time. Prior to this thesis, all top-tier e-voting systems (e.g. SureVote, JCJ, Pret a Voter, Helios, Scantegrity, etc.) assumed honesty of the voting clients, the random oracle model, or the existence a randomness beacon to achieve end-to-end verifiability. In the core of DEMOS-A and DEMOS-2, is a novel mechanism that extracts the randomness required for verification from the entropy generated by the voters, when they engage in the voting phase. This entropy is internal with respect to the election environment, therefore the need for trusting an outer source of randomness is removed. The security analysis is performed under a novel cryptographic framework that constitutes an additional contribution of this thesis. The end-to-end verifiability theorems for DEMOS-A and DEMOS-2 reveal that the security level is in high correlation with the auditing behaviour of the electorate. Motivated by this finding, this thesis extends the framework by modelling e-voting systems as ceremonies, inspired by the work of Ellison in 2007. As a case study of an e-voting ceremony, this thesis investigates the security of the well-known Helios e-voting system