Remote electronic voting: studying and improving Helios

Abstract

A former North American President once said that the ballot is stronger than the bullet. In fact, the most civilized and organized way for a people express their opinion is by voting. However, there are people with bad intentions that affect voting and elections, being normal situations of coercion, collusion, fraud or forgery that disturb and cause alterations in the outcome of a vote. Thus, it becomes necessary to find ways to protect the voters, through vote secrecy and transparency, so that in end of a voting, democracy and justice prevail. Since the secret ballot papers until the electronic voting machines, passing through punched cards, technology in voting systems is evolving to ensure a greater security in elections, as well as greater efficiency, lower costs and other characteristics wanted in this type of systems. Nowadays, remote electronic voting is seen as the ultimate goal to achieve. The difficulty of developing such system is to ensure that it meets all the security requirements without infringing each other and without compromising the usability of the system itself. Thus, cryptography becomes an essential tool for obtaining security and integrity on electronic voting systems. This master thesis focuses on the world of electronic voting, in particular, the remote electronic voting. The objective is to find a system of this kind, with real world applications, to be studied and analyzed in a security point of view. Hence, we made a research on voting and, more deeply, a research on electronic voting schemes, in order to learn how to conceive it, which include the different stages that compose an election, types of voting and the entities involved, and what requirements to fulfill, both the security and functional. Because cryptography is used in most schemes, a detailed study was also performed on the primitives most common in protocols of electronic voting. However, there are not many schemes that pass from theory to practice. Fortunately, we found Helios, a well known scheme that implements various cryptographic techniques for everyone, under certain assumptions, be able to audit polls conducted with this system. A study was performed in order to explain how it was constructed and to identify its strengths and weaknesses. We also present some ongoing work by different people to improve Helios. Finally, we propose improvements on our own, to fight against coercion, to decrease the levels of assumptions and overcome corruption issues. Furthermore, we propose measures to protect the virtual voting booth and a mobile application to cast votes.

Um antigo Presidente norte americano disse um dia que o voto é 'mais forte que a bala. De facto, a forma mais civilizada e organizada de um povo exprimir as suas opiniões é através de votações. Infelizmente, também este mundo é afectado por pessoas com más intenções, sendo normais as situações de coação, conluio, fraude ou falsificação que perturbam e causam alterações no resultado de urna votação. Assim, torna-se necessário arranjar formas de proteger os votantes, através de segredo de voto e transparência, de forma que, no final, a democracia e justiça de uma votação prevaleçam. Desde dos boletins de papel secreto até às máquinas de voto electrónico, passando pelas punched cards, a tecnologia em sistemas de votação vem evoluindo de modo a garantir uma maior segurança em eleições, assim como maior eficiência, menor custos e outras características que se querem neste tipo de sistemas. Nos dias de hoje, o voto electrónico remoto é visto como o grande objectivo a cumprir. A grande dificuldade de se desenvolver tal sistema é garantir que o sistema cumpra todos os requisitos de segurança sem que se violem entre si e sem que isso prejudique a usabilidade do sistema em si. Assim, a criptografia torna-se uma ferramenta essencial para se obter segurança e integridade em sistemas de voto electrónico. Esta tese de mestrado foca-se no mundo do voto electrónico, mais especificamente o voto electrónico remoto. O grande objectivo seria arranjar um sistema desse tipo, que tivesse aplicação real, para ser estudado e analisado do ponto de vista de segurança. Fez-se então uma pesquisa necessária sobre votações e, mais aprofundada, uma sobre esquemas de voto electrónico, de modo a aprender como se concebem, tanto as fases que a constituem como as entidades que normalmente fazem parte, e quais os requisitos a cumprir, tanto os funcionais como os de segurança. Como a criptografia entra em grande parte dos esquemas, também um estudo aprofundado foi realizado sobre as primitivas mais comuns em protocolos de voto electrónico. No entanto, não existem muitos esquemas que passem da teoria à prática. Felizmente, encontrou-se o Helios, um sistema que põe em prática diversas técnicas criptográficas para que qualquer pessoa, dentro de certas assumpções, possa auditar votações conduzidas por este sistema, ficando a privacidade nas mãos do Helios. Um estudo foi realizado de modo a explicar como foi construído e identificar os seus pontos fortes e fracos. Também são apresentados alguns trabalhos em curso sobre este sistema. Finalmente, propõem-se outros tipos de melhoramentos que visam: combater coação, diminuir o nível das assumpções e ultrapassar problemas de corrupção. Propõem-se ainda medidas para proteger a cabine virtual de votação e uma aplicação móvel.