V 神: なぜブロックチェーン投票は過小評価されているのですか?
原題:「Vitalik: なぜブロックチェーン投票が必要ですか?」 」、イーサリアム共同創設者ヴィタリック・ブテリン著
投票は、多くのプロセスの整合性が必要なプロセスです。投票の結果は正しくなければならず、結果が正しいことを誰もが信頼できるように、これを保証する透明なプロセスがなければなりません。誰かの投票意欲を妨害したり、投票の集計を妨げたりする可能性があってはなりません。
ブロックチェーンは、プロセスの整合性を保証するテクノロジーです。プロセスがブロックチェーン上で実行される場合、そのプロセスが事前に合意されたコードに従って実行され、正しい出力が提供されることが保証されます。誰もその実行を阻止することはできず、誰もこの実行を改ざんすることはできず、誰もユーザー入力の処理を検閲して阻止することはできません。
したがって、一見すると、ブロックチェーンは投票に必要なものを正確に提供しているように見えます。この考えを持っているのは私だけではなく、多くの主要な潜在ユーザーが興味を持っています。しかし、これに関してはまったく異なる意見を持っている人もいることが判明しました...
概要
概要
ブロックチェーン投票プロトコルの批評家は通常、次の 2 つの重要な批判をします。
ブロックチェーンは選挙を実施するためのソフトウェア ツールではありません。ブロックチェーンによって提供される信頼プロパティは、投票に必要なプロパティと一致しないため、情報フローと信頼プロパティが異なる他の種類のソフトウェア ツールの方が便利です。
一般に、ソフトウェアがどのようなものであっても、選挙を行うためにソフトウェアを信頼することはできません。プラットフォームがどのように構成されているかに関係なく、ソフトウェアとハードウェアのバグが検出されないリスクは非常に高くなります。
この記事では、これら 2 つの見解について順番に説明します (「反論」というと強すぎる言葉ですが、私は両方の見解にまったく同意しません)。まず、投票にブロックチェーンを使用する既存の試みのセキュリティ問題と、ブロックチェーンを放棄するのではなくブロックチェーンを他の暗号技術と組み合わせることが正しい解決策であることについて説明します。次に、ソフトウェア (およびハードウェア) の信頼性の問題について説明します。私の答えは、「コンピュータのセキュリティは実際に向上しており、この傾向を継続するよう努力することができる」です。
長期的には、いつまでも紙にこだわり続けることは投票率向上の大きな障害となるでしょう。 N 年ごとの投票は 250 年続く民主主義の形態であり、投票をよりアクセスしやすく、より簡単にして、より頻繁に投票できるようになれば、より良い民主主義が実現できるでしょう。
この記事は、優れたブロックチェーンのスケーラビリティ技術 (シャーディングなど) が利用可能であるという前提に基づいていることに疑いの余地はありません。もちろん、ブロックチェーンが拡張できなければ、これらはいずれも不可能です。しかし、これまでのところ、テクノロジーは急速に進歩しているため、それが起こらないと考える理由はありません。
不正なブロックチェーン投票プロトコル
ブロックチェーン投票プロトコルは常に攻撃にさらされています。 2 年前、ブロックチェーン投票テクノロジー企業である Voatz が大流行し、多くの人々がこれに非常に興奮していました。しかし昨年、MIT の一部の研究者がプラットフォームに一連の重大なセキュリティ上の欠陥を発見しました [6]。一方、モスクワでは、選挙に使用されようとしていたブロックチェーン投票システムがハッキングされました [7] が、幸いなことに、攻撃は選挙の 1 か月前に発生しました。
これらのハッキングはかなり深刻です。以下は、Voatz の分析に成功した研究者が発見した攻撃能力の表です。
それ自体はブロックチェーン投票の使用に反対する議論ではありません。しかし、ブロックチェーン投票ソフトウェアはより慎重に設計され、時間をかけてスケールアップされるべきです。
プライバシー保護と強制への耐性
しかし、技術的に壊れていないブロックチェーン投票プロトコルであっても、通常は悪いものです。その理由を理解するには、ブロックチェーンが提供する特定のセキュリティ プロパティと、投票に必要な特定のセキュリティ プロパティをもう少し深く掘り下げる必要があります。さらに深く掘り下げていくと、この 2 つの間に不一致があることがわかります。
ブロックチェーンは、正確な実行と検閲への耐性という 2 つの重要な特性を提供します。正しい実行とは、ブロックチェーンがユーザー入力 (「トランザクション」) を受け入れ、事前定義されたルールに従ってそれらを正しく処理し、正しい出力を返す (またはブロックチェーンの「状態」を正しい方法で調整する) ことを意味します。また、検閲への抵抗も容易です。理解してください: トランザクションを送信したいユーザーで、十分な高額の料金を支払う意思のあるユーザーはトランザクションを送信でき、すぐにチェーンに追加されることを期待できます。
これら 2 つのプロパティは投票にとって非常に重要です。必要な投票結果は、最も多くの票を獲得した候補者を選択するために各候補者の票を合計した結果である必要があります。また、投票資格のある人には誰でも参加してもらいたい必要があります。たとえ有力者が止めようとしたとしても。ただし、投票には、ブロックチェーンが提供しないいくつかの重要なプロパティも必要です。
プライバシー保護: 特定の人々がどの候補者に投票したか、あるいは投票したかどうかを知る必要はありません。
強制への抵抗: たとえ望んでも、自分がどのように投票したかを他人に証明できるべきではありません。
上記の最初の要件 (プライバシーなど) の必要性は明らかです。周囲の人々、雇用主、警察、街頭で無差別に暴漢から自分についてどう思われているかに関係なく、人々が個人的にどう感じているかに基づいて投票してもらいたいと考えています。 . 投票する気持ち。
2 番目の要件 (強制的抵抗) は、「投票の販売」の問題を防ぐために使用する必要があります。どのように投票したか (つまり、誰に投票したか) を証明できれば、投票の販売は非常に簡単になります。投票用紙の証明可能性により、ある種の強制も可能になります。強制者は、(強制された人、つまり有権者) が特定の候補者に投票したという何らかの証拠を見ることを要求します。ほとんどの人は、最初の要件を認識している人であっても、2 番目の要件については考えていません。ただし、2 番目の要件も必要であり、技術的にはこれを提供することが重要です。言うまでもなく、世の中にある一般的な「ブロックチェーン投票システム」は 2 番目のプロパティを提供しようともせず、多くの場合最初のプロパティを提供できません。
ブロックチェーンを使用しない安全な電子投票
暗号化によって安全に強制される社会メカニズムの概念は、ブロックチェーンのオタクによって発明されたものではなく、私たちのずっと前から実際に存在していました。ブロックチェーン分野の外では、暗号学者が安全な電子投票の問題に取り組んでいる 20 年の伝統があり、良いニュースとしては解決策があるということです。 Juels、Catalano、Jakobsson による 2002 年の論文「強制耐性電子選挙」 (強制耐性電子選挙[8]) は、過去 20 年間にわたって多くの文献で引用されてきました。
それ以来、このコンセプトは何度も反復されてきました。他にもたくさんありますが、Civitas[9] がその顕著な例です。これらのプロトコルはすべて、同様の一連のコア テクノロジーを使用しています。つまり、合意された一連の「集計者」または出納者が存在し、ほとんどの集計者は正直であるという信頼の前提が存在します。各検査者は、対応する公開鍵が公開される秘密鍵の「一部」を保持します。有権者は調査員の公開鍵を使用して投票を暗号化し、暗号化された投票を公開します。調査員は安全なマルチパーティ計算 (MPC) プロトコル [10] を使用して投票用紙を復号化して検証し、投票を数えます。投票の集計は「MPC 内部」で行われます: 検査員は自分の秘密鍵を知ることはなく、最終結果を計算するとき、最終結果自体から得られるものを除いて、個々の投票に関する情報は一切知りません。 。
投票を暗号化するとプライバシーが提供され、追加のインフラストラクチャ (混合ネットワークなど) を追加してプライバシーをさらに強化できます。同時に、ストレス耐性を提供するために、次の 2 つの手法のいずれかを使用できます。
1 つ目のオプションは、登録段階 (調査者が登録された各投票者の公開鍵を学習する) 中に、投票者が鍵を生成または受け取るというものです。対応する公開キーは検査者間で共有され、検査者の MPC は、そのキーで署名されている場合にのみ投票をカウントします。有権者は自分の鍵が何であるかを第三者に証明することができないため、賄賂や強制を受けても、単に間違った鍵を提示し、その間違った鍵を使用して投票に署名することができます。あるいは、投票者はメッセージを送信してキーを変更することもできますが、投票者はそのようなメッセージを送信していないことを第三者に証明できないため、投票は変わりません。
2 番目のオプションは、投票者が複数の投票を行い、後の投票で前の投票を無効にする手法です。有権者が賄賂や強要を受けた場合、最初は賄賂や強要の要求に応じて候補者に投票することができますが、その後、別の投票を送って以前の投票を無効にすることもできます。
有権者が前回の投票をその後の投票で覆す権限を与えることが、上記の 2015 年の合意の強制防止メカニズムの鍵となります
ここで、これらすべてのプロトコルにおける重要なニュアンスを見てみましょう。これらはすべて、セキュリティ保証のために外部プリミティブ、つまり掲示板 (上の図の「BB」) に依存しています。掲示板は、有権者なら誰でもメッセージを送信できる場所であり、(1) 誰でも掲示板を読むことができ、(2) 誰でも承認された掲示板にメッセージを送信できることが保証されています。いじめに抵抗する投票に関する論文のほとんどは、何気なく掲示板の存在について言及していますが、この掲示板が実際にどのように実装されるかを論じた論文はほとんどありません。この記事で私の意図がわかります。掲示板を実装する最も安全な方法は、既存のブロックチェーンを使用することです。
ブロックチェーンを使用した安全な電子投票
もちろん、ブロックチェーン以前にも、電子掲示板を作ろうという試みは数多くありました。この 2008 年の論文 [12] はそのような試みであり、その信頼モデルは「n 台のサーバーのうち k 台が正直でなければならない」(一般に k = n/2) という標準要件です。たとえば、この 2021 年の文献レビュー [13] では、これも k-of -n Trust モデルに依存するいくつかの以前の掲示板実装の試みにおけるブロックチェーンの使用を取り上げ、調査しています。
ブロックチェーンは k-of-n 信頼モデルでもあり、マイナーまたは PoS バリデーターの少なくとも半数が合意に従う必要があります。この仮定が崩れると、通常は「51% 攻撃」につながります。では、なぜブロックチェーンが専用の電子掲示板よりも優れているのでしょうか?答えは、真に信頼できる k-of-n システムを構築するのは難しく、この問題を大規模に解決できる唯一のシステムはブロックチェーンであるということです。政府が投票システムを構築中であることを発表し、特別な目的の掲示板を運営する 15 の地方組織と大学のリストを提供するとします。外部の観察者として、政府が諜報機関と共謀したいという願望に基づいて 1,000 の組織の中からこれら 15 の組織を選んだわけではないことをどうして知ることができますか?
一方、パブリックチェーンには、誰でも参加できる許可不要の経済的コンセンサスメカニズム (PoW または PoS) と、常にリアルタイムで検証するためのブロックエクスプローラー、取引所、およびその他の監視ノード施設の多様で高度なインセンティブを備えた既存のベースがあります。何も悪いことは起こっていないということ。
これらのより複雑な投票システムは、ブロックチェーンを使用するだけでなく、正しさのためのゼロ知識証明や、強要耐性のためのマルチパーティ計算などの暗号にも依存しています。したがって、単に「ブロックチェーンに直接投票」し、結果として生じるプライバシー保護と強制耐性の問題を無視する、より「単純な」投票システムの弱点を回避します。しかし、ブロックチェーン掲示板は設計全体のセキュリティ モデルの重要な部分であり続けます。委員会が侵害されてもブロックチェーンが侵害されていない場合、投票プロセスに関する他のすべての保証は残りますが、強迫耐性の特性は失われます。
MACI: イーサリアムにおける強制耐性のあるブロックチェーン投票
イーサリアムのエコシステムは現在、MACI [14] と呼ばれるシステムを実験中です。これは、ブロックチェーン、ZK-SNARK、および強迫への耐性を保証する中心的なアクターを組み合わせたものです（ただし、機能を破壊する能力は別です）。 MACI は技術的にはそれほど難しいものではありません。ユーザーは次の方法で参加できます。自分の秘密キーを使用してメッセージに署名し、中央サーバーが発行した公開キーを使用して署名付きメッセージを暗号化し、暗号化された署名付きメッセージをブロックチェーンに公開します。サーバーはこれらのメッセージをブロックチェーンからダウンロードし、復号化して処理し、結果と計算が正しく行われたことを示す ZK-SNARK 証明を出力します。
ユーザーは、自分がどのように関与したかを証明することができません。なぜなら、「キー変更」メッセージを送信して、自分を監査しようとする人を騙すことができるからです。まず、キー変更メッセージを送信して、キーを A から B に変更し、次に「偽のメッセージ」にA.の署名が入っています。サーバーは偽のメッセージを拒否しますが、他の誰も鍵変更メッセージが送信されたことを知る方法がありません。プライバシー保護と強制耐性のためだけではありますが、サーバーには信頼要件があり、サーバーは誤った計算やメッセージの検閲によって間違った結果を公開することはできません長期的には、マルチパーティの計算をある程度使用できます分散化を実現これにより、プライバシー保護と強制防止の保証が強化されます。
まとめ
まとめ
投票プロセスには、正確性、検閲への耐性、プライバシー保護、強迫への耐性という 4 つの重要なセキュリティ要件を満たさなければなりません。
ブロックチェーンは最初の 2 つは得意ですが、後の 2 つは苦手です。
ブロックチェーンに投票暗号化を適用すると、プライバシーが向上します。ゼロ知識証明は正しさにつながりますが、投票は暗号化されているため、外部の観察者が直接集計することはできません。
MPC の復号化と投票のチェックは、ユーザーがシステムと複数回対話できるメカニズムと組み合わせると、前の投票が次の投票を無効にしたり、その逆になったりする、強迫耐性の特性を提供できます。
ブロックチェーンを使用すると、非常に高いセキュリティ検閲耐性が保証され、たとえ委員会が共謀して強迫耐性を破ったとしても、この検閲耐性は維持されます。ブロックチェーンの導入により、システムのセキュリティが大幅に向上します。
しかし、テクノロジーを信頼できるでしょうか?
しかしここで、あらゆる種類の電子投票 (ブロックチェーンであろうとなかろうと) に対する 2 番目のより深い批判に戻ります。テクノロジー自体があまりにも安全でなく、信頼すべきではありません。
マサチューセッツ工科大学 (MIT) の最近の論文 [16] は、以下の表を含むブロックチェーン投票を批判し、いかなる種類のペーパーレス投票も根本的に確保するのがいかに困難すぎるかを説明しています。
この論文の著者らが焦点を当てている主要な特性はソフトウェアの独立性であり、彼らはこれを「システムのソフトウェアにおける検出されない変更やバグが選挙結果に目に見えない変化を引き起こすことができない特性」と定義しています。基本的に、コードのバグによって誤って Prezzy McPresidentface がどこかの国の新大統領になってしまうようなことがあってはなりません (より現実的には、意図的に埋め込まれたバグによって候補者の得票率が 42% から 52% に低下するようなことがあってはなりません)。
しかし、バグに対処する他の方法もあります。たとえば、公的に検証可能なゼロ知識証明を使用するブロックチェーンベースの投票システムは、独立して検証できます。誰かが独自の証明検証器の実装を作成し、ZK-SNARK を自分で検証することもできます。彼は独自の投票ソフトウェアを作成することさえできました。もちろん、これを実際に実行する技術的な複雑さは、実際の有権者ベースの 99.99% を超えていますが、何千人もの独立した専門家がそれを実行し、ソフトウェアが動作することを検証する能力を持っているとしても、それは実際にはあまり良いことではありません。
しかし、MIT の著者にとって、これでは十分ではありませんでした。
したがって、電子のみのシステムは、エンドツーエンドで検証可能なシステムであっても、近い将来、政治選挙には適していないと思われます。米国投票財団は、E2E-V 方式がオンライン投票のセキュリティを向上させる可能性があることに注目していますが、技術がより成熟して投票が開始されるまでは、オンライン投票での使用を避けることを推奨する詳細なレポートを発表しました。
これらのアイデアの拡張を提案する人もいます。たとえば、Juels らの提案では、複数の形式の「強迫耐性」を提供するために暗号化を使用することが強調されています。 Clarkson らによる Civitas の提案では、ストレス耐性のための追加メカニズムが実装されており、Iovino らによる Selene システムにさらに組み込まれ、改良されました。私たちの観点からすると、これらの提案は革新的ですが非現実的です。非常に複雑で、最も深刻なことに、そのセキュリティは投票者のデバイスが侵害されず、意図したとおりに機能するかどうかに依存しており、これは非現実的な前提です。
MIT の著者らの懸念は投票システムのハードウェア セキュリティではなく、このリスクは実際にはゼロ知識証明を使用することで軽減できます。代わりに、彼らは別のセキュリティ上の質問、つまり原則的にでもユーザーのデバイスは安全ですか? に焦点を当てています。
消費者向けデバイスに対するさまざまなエクスプロイトやハッキングの長い歴史を考慮すると、その答えは「安全ではない」と考えるのが自然です。以下は、ビットコインウォレットのセキュリティに関して私が 2013 年に書いた記事を引用しています。
その上：
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その上：
2011 年 6 月、Bitcointalk メンバー「allinvain」のコンピュータが未知の侵入者によって直接ハッキングされ、25,000 BTC (当時の価値で 500,000 ドル相当) を失いました。攻撃者は allinvain の Wallet.dat ファイルにアクセスし、allinvain のコンピュータからトランザクションを送信するか、wallet.dat ファイルをアップロードして自分のコンピュータ上のウォレットを空にすることで、すぐにウォレットを空にすることができました。
しかし、これらの災害は、より大きな真実を覆い隠しています。実際には、コンピュータのセキュリティは、過去 20 年間にわたって、ゆっくりではありますが着実に改善されてきました [17]。現在、攻撃ははるかに困難になっており、多くの場合、攻撃者は大規模で複雑なコード部分の単一の脆弱性ではなく、複数のサブシステムの脆弱性を探す必要があります。注目を集める事件はかつてないほど大きくなりましたが、それは何かの安全性が低下しているという兆候ではなく、むしろ私たちがインターネットにますます依存していることを示しているだけです。
信頼できるハードウェア (信頼できるハードウェア [18]) は、最近の改善の非常に重要なソースです。一部の新しい「ブロックチェーン携帯電話」（HTC の携帯電話など）[19] は、このテクノロジーをかなり高度に活用しており、セキュリティに重点を置いた最小限のオペレーティング システムを信頼できるハードウェア チップにインストールし、暗号通貨などの高度なセキュリティ要件を持つアプリケーションを許可します。ウォレットを他のアプリケーションから分離しておきます。サムスンはすでに同様の技術を使用した携帯電話の製造を開始している。 「ブロックチェーン デバイス」として宣伝されていないデバイス (iPhone など) であっても、多くの場合、何らかの信頼できるハードウェアが搭載されています。
暗号通貨ハードウェア ウォレットは、この信頼できるハードウェア モジュールがコンピュータの内部ではなく物理的に外部に配置されていることを除いて、実質的に同じものです。しかし、信頼できるハードウェアは (当然のことですが) 常に何度も破られるため、セキュリティ サークル、特にブロックチェーン コミュニティで悪い評判を受けることがよくあります [20]。確かに、セキュリティ保護の代わりにそれを使用することは望ましくありません。しかし、拡張技術としては大きな進歩です。
結局のところ、暗号通貨ウォレットや投票システムなどの単一のアプリケーションは、消費者向けオペレーティング システム全体よりもはるかにシンプルであり、二次投票、抽選、二次抽選などのサポートを統合する必要がある場合でも、エラーが発生する余地が少なくなります。 。信頼できるハードウェアのようなツールの利点は、単純なものと複雑でハッキングされる可能性のあるものを分離することであり、ある程度の成功を収めています。
したがって、時間の経過とともにリスクは減少する可能性があります
しかし、どんなメリットがあるのでしょうか？
セキュリティ技術におけるこれらの改善は、消費者向けハードウェアが現在よりも信頼される可能性がある将来にとって良い前兆です。過去数年間のこの分野への投資は今後 10 年間にわたって効果をもたらし続ける可能性が高く、さらなる大幅な改善が期待できます。しかし、この分野全体を検討する価値があるほど、投票を電子化すること（ブロックチェーンベースかどうかにかかわらず）にはどのような利点があるのでしょうか?
私の答えは簡単です。投票がより効率的になり、より頻繁に投票できるようになります。現在、組織 (政府または企業) への正式な民主的意見は、多くの場合 1 ～ 6 年に 1 票に制限されています。おそらくこれが主な理由で、私たちの社会における分散型意思決定は、純粋な民主主義と純粋な市場という 2 つの極端にはっきりと分かれています。民主主義は非常に非効率的（企業や政府の投票）か、非常に不安定（ソーシャルメディアの「いいね！」やリツイート）のどちらかです。市場は技術的にはソーシャルメディアよりもはるかに効率的で安全ですが、その根底にある経済論理により、市場はさまざまなタイプの意思決定問題、特に公共財に関連する問題には適していません。
はい、これが別の三角形であることはわかっていますが、それを使用しなければならないのは本当に申し訳ありません。でも今回は許してください....(まあ、将来的にはもっと三角形を作ると思いますが、我慢してください)
民主主義と市場の間に位置するシステムをさらに構築でき、前者の平等主義、後者の技術効率、そしてその間の経済的特性の恩恵を受けることができれば、私たちは多くのことができるでしょう。二次資金調達が良い例であり、液体民主主義も別の例です。新しい委任メカニズムや二次数学を導入しなくても、より小規模でより多くの投票を行うことで、各有権者が利用できる情報に合わせて投票を行うためにできることはたくさんあります。これらすべてのアイデアの課題は、ある程度の民主主義を永続的に維持するスキームを実現するには、何らかの形でシビルの抵抗と票の買収を減らす必要があることです。これが、これらの有望な ZK-SNARK + MPC + ブロックチェーンそのものです。投票スキームが解決しようとする問題。
暗号空間が役立つ
仮想通貨空間の過小評価されている利点は、それが非常に敵対的な環境で経済と仮想通貨のアイデアをテストできる優れた「仮想経済特区」であることです。何を構築しリリースするとしても、その支配する経済力が一定の規模を超えると、あらゆる種類の個人（時には利他的、時には利益主導、時には悪意のある）の多数の参加者が参加し、その多くは完全に匿名のままになります）。彼らはシステムに侵入し、自分たちのさまざまな目的のためにその経済力をねじ曲げようとします。
攻撃者の動機は高いです。攻撃者が暗号経済ツールから 100 ドルを盗んだ場合、通常は 100 ドルの報酬を全額受け取ることができ、通常はそのまま逃げ切ることができます。しかし、防御側も高いモチベーションを持っています。ユーザーが損失を回避できるツールを構築すれば、（少なくとも場合によっては）それをツールに変えて数百万ドルを稼ぐことができます。暗号通貨は究極のトレーニングゾーンです。この環境で大規模に生き残ることができるものを構築できれば、より大きな世界で生き残ることができるかもしれません。
これは、二次資金調達 [21]、マルチシグ [22]、ソーシャル リカバリ ウォレット [23]、および投票システムに当てはまります。ブロックチェーン空間は、すでに重要なセキュリティ技術の台頭の推進に役立っています。
ハードウェアウォレット。
効率的な汎用ゼロ知識証明。
正式な検証ツール。
信頼できるハードウェアチップを搭載した「ブロックチェーン携帯電話」。
Proof of Humanity などの反シビル攻撃メカニズム[24]
要約する
要約する
短期的には、あらゆる種類のブロックチェーン投票は、より主流のアプリケーションまたはブロックチェーン空間自体のいずれかのための小規模な実験に限定されるべきです。現在のセキュリティは明らかに、すべてをコンピュータに依存できるほど十分ではありません。しかし、それは改善されており、もし私が間違っていてセキュリティが改善していなければ、ブロックチェーン投票だけでなく、暗号通貨全体が成功するのは非常に困難になるでしょう。したがって、このテクノロジーには改善を続ける動機がたくさんあります。
私たちは皆、このテクノロジーと、安全性を向上させ、非常に重要な社会プロセスでテクノロジーを徐々に快適に使用できるようにするために世界中で行われている取り組みに引き続き注意を払う必要があります。テクノロジーはすでに金融市場の鍵となっており、経済の大部分を暗号化することで、経済のさらに大部分が暗号化アルゴリズムとそれを実行するハードウェアに引き渡されることになります。私たちはこのプロセスを注意深く観察して支援し、その恩恵を長期的に利用してガバナンス手法を 21 世紀に導入する必要があります。
