CN114299655A - 一种电子投票***及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于投票技术领域，具体公开一种电子投票***及其工作方法，电子投票***，包括工作站、网络通讯单元、打印单元以及若干投票设备，每个投票设备包括图像采集模块、工控机、第一网络模块以及第二网络模块，网络通讯单元包括第一核心交换机、第二核心交换机、第一二级交换机以及第二二级交换机。本发明解决了现有技术存在的设备复杂程度高与运维难度大、计票的准确性低、投票信息记录的完整性差和正确性低的问题。

Description

一种电子投票***及其工作方法

技术领域

本发明属于投票技术领域，具体涉及一种电子投票***及其工作方法。

背景技术

电子投票是选举表决中被广泛采用的技术手段，对投票信息的存储安全性要求极高，需要采用一定的数据实时备份技术，因此提高了设备复杂程度与运维难度。现有的电子投票***采用星形计算机网络结构，投票信息的存储处于网络中心。区块链是一种全网共同记录与维护的帐本，具有天然的分布式存储属性。区块链***不应使用中心型的存储结构，而是在所有网络结点之间直接通讯，并由所有结点共同保存投票信息。使用区块链分布式存储投票信息，需要用区块链共识机制保证各个投票设备中数据存储的正确一致。在应用区块链存储的电子投票***中，由于物理存储设备的分散性，计票的准确性、投票信息记录的完整性和正确性有必要得到验证，同时还需要保护选民投票的隐私。

发明内容

本发明旨在于至少在一定程度上解决上述技术问题之一。

为此，本发明目的在于提供一种电子投票***及其工作方法，用于解决现有技术存在的设备复杂程度高与运维难度大、计票的准确性低、投票信息记录的完整性差和正确性低的问题。

本发明所采用的技术方案为：

一种电子投票***，包括工作站、网络通讯单元以及若干投票设备，工作站通过网络通讯单元分别与若干投票设备通信连接，若干投票设备之间相互通信连接。

进一步地，每个投票设备包括图像采集模块、工控机、第一网络模块以及第二网络模块，工控机分别通过第一网络模块和第二网络模块与网络通讯单元通信连接，工控机分别通过第一网络模块和第二网络模块与其它工控机通信连接，且工控机与图像采集模块通信连接。

进一步地，网络通讯单元包括第一核心交换机、第二核心交换机、第一二级交换机以及第二二级交换机，第一核心交换机分别与工作站、第二核心交换机以及第一二级交换机通信连接，第二核心交换机与第二二级交换机通信连接，每个投票设备的第一网络模块与第一二级交换机通信连接，每个投票设备的第二网络模块与第二二级交换机通信连接。

进一步地，还包括打印单元，打印单元与第二核心交换机通信连接。

一种电子投票***的工作方法，电子投票***，包括工作站、网络通讯单元、打印单元以及若干投票设备，每个投票设备包括图像采集模块、工控机、第一网络模块以及第二网络模块，网络通讯单元包括第一核心交换机、第二核心交换机、第一二级交换机以及第二二级交换机，工作方法，包括如下步骤：

S1：工作站获取私钥，并通过网络通讯单元使用Shamir秘密分享方法得到私钥的份额，并将私钥的份额秘密分享至各个投票设备；

S2：进行投票，遍历所有投票设备，当前的投票设备使用图像采集模块获取选票预处理数据块，对选票预处理数据块进行加密，得到加密后选票预处理数据块和对应的加密参数，使用Shamir秘密分享方法得到当前的投票设备的加密参数的份额，并将当前的加密参数的份额秘密分享其它的投票设备；

S3：建立区块链，遍历所有投票设备，当前的投票设备将加密后选票预处理数据块生成区块，并根据生成的区块更新区块链；

S4：重复步骤S2至S3直到投票结束，各个投票设备将接收到的私钥的份额与其它投票设备进行交换，恢复出私钥；

S5：当前的投票设备将接收到的加密参数的份额进行求和，得到加密参数的份额结果，并将当前的投票设备的加密参数的份额结果与其它的投票设备进行交换，得到加密参数之和；

S6：将区块链中所有加密后选票预处理数据块进行求积，得到加密后选票预处理数据块之积，并根据加密后选票预处理数据块之积、加密参数之和以及私钥得到计票结果；

S7：根据预设的选票数据构造和计票结果，得到投票结果；

S8：打印单元打印投票结果。

进一步地，第一核心交换机与第二核心交换机互为备份，第一二级交换机与第二二级交换机互为备份，第一网络模块以及第二网络模块互为备份。

进一步地，步骤S1中，使用ElGamal加密方法得到私钥，其公式为：

h＝g^rmod q

式中，h为公钥；r为私钥；q为大质数；g为公开参数。

进一步地，步骤S2中，使用ElGamal加密方法将选票预处理数据块进行加密，得到加密后选票预处理数据块和对应的加密参数，其公式为：

Q＝(h^kp^v)mod q

式中，Q为加密后选票预处理数据块；h为公钥；k为加密参数；q为大质数；p为素数；v为初始的选票预处理数据块。

进一步地，步骤S3中，根据区块链共识机制，建立区块链，区块链共识机制的共识方法为：

A-1：每个投票设备平均分配一个对应的时间片；

A-2：遍历所有投票设备，投票设备A在对应的时间片a内将加密后选票预处理数据块生成区块，并将区块发送至其它的投票设备；

A-3：判断其它的投票设备是否在时间片a内接收到投票设备A发送的区块，若是则将投票设备A发送的区块链入链中，并结束本次共识，否则放弃投票设备A发送的区块，并进入步骤A-4；

A-4：将本次未共识的加密后选票预处理数据块和下一次时间片a内进行共识的加密后选票预处理数据块进行合并生成区块，并将区块发送至其它的投票设备，并返回步骤A-3。

进一步地，步骤S6中，计票结果的获取公式为：

V＝log_p(p^V)

式中，V为计票结果；p为素数；p^V为根据加密的预处理数据块之积、加密参数之和以及私钥得到的中间参数；

中间参数的获取公式为：

p^V＝[T(g^r)^-K]mod q

式中，p^V为根据加密的预处理数据块之积、加密参数之和以及私钥得到的中间参数；T为加密后选票预处理数据块之积；K为加密参数之和；r为私钥；g为公开参数；q为大质数。

本发明的有益效果为：

本发明提出了应用分时间片生成区块实现共识的区块链投票方法，在投票设备内部用区块链存储选民的投票信息，免除了中心存储设备，降低了设备复杂程度与运维难度，利用ElGamal加密算法与Shamir秘密分享算法的加法同态性，实现秘密计票，保护了选民投票的隐私，将选票的加密预处理数据块打印为回执，实现单张选票的验证，通过设计的密码学算法和采用的高可靠的网络结构，本***可满足电子投票的安全与效率的要求。

本发明的其他有益效果将在具体实施方式中进行详细说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是电子投票***结构图。

图2是工作方法流程图。

图3是选票数据结构图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例来对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本发明公开的功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本发明阐述的实施例中。

应当理解，本发明使用的术语仅用于描述特定实施例，并不意在限制本发明的示例实施例。若术语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”在本发明中被使用时，指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性，并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。

应当理解，还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如，取决于所涉及的功能/动作，实际上可以实质上并发地执行，或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。

应当理解，在下面的描述中提供了特定的细节，以便于对示例实施例的完全理解。然而，本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出***，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实例中，可以不以不必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种电子投票***，包括工作站、网络通讯单元以及若干投票设备，工作站通过网络通讯单元分别与若干投票设备通信连接，若干投票设备之间相互通信连接。

投票设备为电子票箱，用于获取和处理纸质选票图像，将其转化为投票信息并加密，秘密分享加密参数，进行共识并存储区块链，工作站用于发出投票开始与结束指令，生成最终计票结果，秘密分享选票的加密私钥，工作站的主要功能是运行各类选举需要的软件，提供选举控制服务、网络监控与安全服务。工作站核心任务是判定选举结果正确有效，打印回执与投票结果；各电子票箱上的工控机处理纸质选票图像，识别其上的投票标记，并作为节点运行区块链共识程序。

作为优选，每个投票设备包括图像采集模块、工控机、第一网络模块以及第二网络模块，工控机分别通过第一网络模块和第二网络模块与网络通讯单元通信连接，工控机分别通过第一网络模块和第二网络模块与其它工控机通信连接，且工控机与图像采集模块通信连接；

本文***的网络方案采用双核心交换机与二层交换机结构，工控机配置双网卡(第一网络模块和第二网络模块)，并由两块网卡同时联网，网络中的双核心交换机配置虚拟路由器冗余协议VRRP，可在一台失效时自动启用另一台。同时使用实时流协议RSTP避免网络中环路的产生，在二级交换机互为备份的情况下，保证不出现网络风暴，此网络方案实现了票箱连接网络的双链路，网络单点故障时可以自动恢复网络的连通；

选民按填涂要求完成纸质选票的填写，选民将纸质选票投入票箱，票箱的高速图像采集模块获得选票图像后传给工控机，票箱工控机获得选票图像，并识别图像中的投票信息，工控机将选票上的投票选项转化成预处理数据块，工控机通过网卡与其它工控机和工作站通信，票箱中的工控机配置双网卡，两块网卡配置不同网段的IP，并通过网线同时保持网络连接，在一块网卡连接的交换机故障后，另一块网卡将自动连通另外一台交换机。

作为优选，网络通讯单元包括第一核心交换机、第二核心交换机、第一二级交换机以及第二二级交换机，第一核心交换机分别与工作站、第二核心交换机以及第一二级交换机通信连接，第二核心交换机与第二二级交换机通信连接，每个投票设备的第一网络模块与第一二级交换机通信连接，每个投票设备的第二网络模块与第二二级交换机通信连接。

作为优选，还包括打印单元，打印单元与第二核心交换机通信连接，打印单元用于打印投票的回执和投票结果。

一种电子投票***的工作方法，如图2所示，电子投票***，包括工作站、网络通讯单元、打印单元以及若干投票设备，每个投票设备包括图像采集模块、工控机、第一网络模块以及第二网络模块，网络通讯单元包括第一核心交换机、第二核心交换机、第一二级交换机以及第二二级交换机，工作方法，包括如下步骤：

S1：获取私钥，并将私钥秘密分享至各个投票设备；

使用ElGamal加密方法得到私钥，其公式为：

h＝g^rmod q

式中，h为公钥；r为私钥；q为大质数；g为公开参数；

使用Shamir秘密分享方法得到私钥的份额，并将私钥的份额秘密分享至各个投票设备；

S2：进行投票，选民领取选票并填涂后，将选票投入指定的票箱(投票设备)，票箱的图像识别设备识别选票后，将投票的内容转化为选票预处理数据块，遍历所有投票设备，当前的投票设备获取选票预处理数据块，对选票预处理数据块进行加密，得到加密后选票预处理数据块和对应的加密参数，并将加密参数秘密分享至其它的投票设备；

使用ElGamal加密方法将选票预处理数据块进行加密，得到加密后选票预处理数据块和对应的加密参数，其公式为：

Q＝(h^kp^v)mod q

式中，Q为加密后选票预处理数据块；h为公钥；k为加密参数；q为大质数；p为素数；v为初始的选票预处理数据块；

使用Shamir秘密分享方法得到当前的投票设备的加密参数的份额，并将当前的加密参数的份额秘密分享其它的投票设备；

S3：建立区块链，遍历所有投票设备，当前的投票设备将加密后选票预处理数据块生成区块，并根据生成的区块更新区块链；

区块链是一个存储在各个节点的公开账本，这个帐本由区块链的各个节点共同维护，依靠数学方法保证数据不可伪造与篡改，节点把记录交易信息、本节点签名和上一个区块的头信息一同记录在区块体中，然后节点计算区块体的哈希值以得到区块头，通过这种方法，不同的区块连接在一起，区块链集成与应用了分布式存储、点对点传输、共识机制、签名和哈希算法等技术，具有去中心化、集体维护、安全可信等重要特性；区块链的共识机制是区块链网络中实现不同节点之间建立信任、获取权益的算法，区块链使用各种共识机制使得分散的节点高效地对区块数据的有效性达成一致，区块链的共识机制应用于分布式存储领域，可以安全高效地保证各个节点的存储完整一致；

根据区块链共识机制，建立区块链，区块链共识机制的共识方法为：

A-1：每个投票设备平均分配一个对应的时间片；

A-2：遍历所有投票设备，投票设备A在对应的时间片a内将加密后选票预处理数据块生成区块，并将区块发送至其它的投票设备；

A-3：判断其它的投票设备是否在时间片a内接收到投票设备A发送的区块，若是则将投票设备A发送的区块链入链中，并结束本次共识，否则放弃投票设备A发送的区块，并进入步骤A-4；

A-4：将本次未共识的加密后选票预处理数据块和下一次时间片a内进行共识的加密后选票预处理数据块进行合并生成区块，并将区块发送至其它的投票设备，并返回步骤A-3；

S4：重复步骤S2至S3直到投票结束，各个投票设备将接收到的私钥的份额与其它投票设备进行交换，恢复出私钥；

S5：当前的投票设备将接收到的加密参数的份额进行求和，得到加密参数的份额结果，并将当前的投票设备的加密参数的份额结果与其它的投票设备进行交换，得到加密参数之和；

S6：将区块链中所有加密后选票预处理数据块进行求积，得到加密后选票预处理数据块之积，其公式为：

T＝(h^Kp^V)mod q

式中，p^V为根据加密的预处理数据块之积、加密参数之和以及私钥得到的中间参数；T为加密后选票预处理数据块之积；K为加密参数之和；r为私钥；g为公开参数；q为10以内的大质数；

计票结果的获取公式为：

V＝log_p(p^V)

式中，V为计票结果；p为素数；p^V为根据加密的预处理数据块之积、加密参数之和以及私钥得到的中间参数；

中间参数的获取公式为：

p^V＝[T(g^r)^-K]mod q

式中，p^V为根据加密的预处理数据块之积、加密参数之和以及私钥得到的中间参数；T为加密后选票预处理数据块之积；K为加密参数之和；r为私钥；g为公开参数；q为10以内的大质数；

S7：根据预设的选票数据构造和计票结果，得到投票结果；

本方案通过将选民投票的选项数值构造成特殊形式的选票数据，如图3所示，可使选票数据在计票时实现同态计票，在选票数据构造上，候选人的得票数用0或1表示赞成的数量(赞成为1，不赞成为0)，将多个候选人的得票结果并列排列构成一个选票数据，记录一个候选人的得票结果的数字要保留足够的十进制位数，从而能够记录下这个候选人的最大可能得票数量，即所有投票人都给该候选人投赞成票时的得票数，由于基于这种方法构造的选票是一个整数，则可直接将不同的选票数据相加进行计票，在相加的选票之和的数值上，对应的候选人数字的位置的值则是其得到的赞成票的值。

本发明提出了应用分时间片生成区块实现共识的区块链投票方法，在投票设备内部用区块链存储选民的投票信息，免除了中心存储设备，降低了设备复杂程度与运维难度，利用ElGamal加密算法与Shamir秘密分享算法的加法同态性，实现秘密计票，保护了选民投票的隐私，将选票的加密预处理数据块打印为回执，实现单张选票的验证，通过设计的密码学算法和采用的高可靠的网络结构，本***可满足电子投票的安全与效率的要求。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所描述的实施例仅仅是示意性的，若涉及到作为分离部件说明的单元，其可以是或者也可以不是物理上分开的；若涉及到作为单元显示的部件，其可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种电子投票***，其特征在于：包括工作站、网络通讯单元以及若干投票设备，所述的工作站通过网络通讯单元分别与若干投票设备通信连接，若干所述的投票设备之间相互通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种电子投票***，其特征在于：每个所述的投票设备包括图像采集模块、工控机、第一网络模块以及第二网络模块，所述的工控机分别通过第一网络模块和第二网络模块与网络通讯单元通信连接，工控机分别通过第一网络模块和第二网络模块与其它工控机通信连接，且工控机与图像采集模块通信连接。

3.根据权利要求2所述的一种电子投票***，其特征在于：所述的网络通讯单元包括第一核心交换机、第二核心交换机、第一二级交换机以及第二二级交换机，所述的第一核心交换机分别与工作站、第二核心交换机以及第一二级交换机通信连接，所述的第二核心交换机与第二二级交换机通信连接，每个所述的投票设备的第一网络模块与第一二级交换机通信连接，每个所述的投票设备的第二网络模块与第二二级交换机通信连接。

4.根据权利要求3所述的一种电子投票***，其特征在于：还包括打印单元，所述的打印单元与第二核心交换机通信连接。

5.一种基于如权利要求1-4所述的电子投票***的工作方法，其特征在于：所述的电子投票***，包括工作站、网络通讯单元、打印单元以及若干投票设备，每个所述的投票设备包括图像采集模块、工控机、第一网络模块以及第二网络模块，所述的网络通讯单元包括第一核心交换机、第二核心交换机、第一二级交换机以及第二二级交换机，所述的工作方法，包括如下步骤：

S1：工作站获取私钥，并通过网络通讯单元使用Shamir秘密分享方法得到私钥的份额，并将私钥的份额秘密分享至各个投票设备；

S2：进行投票，遍历所有投票设备，当前的投票设备使用图像采集模块获取选票预处理数据块，对选票预处理数据块进行加密，得到加密后选票预处理数据块和对应的加密参数，使用Shamir秘密分享方法得到当前的投票设备的加密参数的份额，并将当前的加密参数的份额秘密分享其它的投票设备；

S3：建立区块链，遍历所有投票设备，当前的投票设备将加密后选票预处理数据块生成区块，并根据生成的区块更新区块链；

S4：重复步骤S2至S3直到投票结束，各个投票设备将接收到的私钥的份额与其它投票设备进行交换，恢复出私钥；

S5：当前的投票设备将接收到的加密参数的份额进行求和，得到加密参数的份额结果，并将当前的投票设备的加密参数的份额结果与其它的投票设备进行交换，得到加密参数之和；

S6：将区块链中所有加密后选票预处理数据块进行求积，得到加密后选票预处理数据块之积，并根据加密后选票预处理数据块之积、加密参数之和以及私钥得到计票结果；

S7：根据预设的选票数据构造和计票结果，得到投票结果；

S8：打印单元打印投票结果。

6.根据权利要求5所述的一种电子投票***的工作方法，其特征在于：所述的第一核心交换机与第二核心交换机互为备份，第一二级交换机与第二二级交换机互为备份，第一网络模块以及第二网络模块互为备份。

7.根据权利要求5所述的一种电子投票***的工作方法，其特征在于：所述的步骤S1中，使用ElGamal加密方法得到私钥，其公式为：

h＝g^rmodq

式中，h为公钥；r为私钥；q为大质数；g为公开参数。

8.根据权利要求5所述的一种电子投票***的工作方法，其特征在于：所述的步骤S2中，使用ElGamal加密方法将选票预处理数据块进行加密，得到加密后选票预处理数据块和对应的加密参数，其公式为：

Q＝(h^kp^v)modq

式中，Q为加密后选票预处理数据块；h为公钥；k为加密参数；q为大质数；p为素数；v为初始的选票预处理数据块。

9.根据权利要求5所述的一种电子投票***的工作方法，其特征在于：所述的步骤S3中，根据区块链共识机制，建立区块链，所述的区块链共识机制的共识方法为：

A-1：每个投票设备平均分配一个对应的时间片；

A-2：遍历所有投票设备，投票设备A在对应的时间片a内将加密后选票预处理数据块生成区块，并将区块发送至其它的投票设备；

A-3：判断其它的投票设备是否在时间片a内接收到投票设备A发送的区块，若是则将投票设备A发送的区块链入链中，并结束本次共识，否则放弃投票设备A发送的区块，并进入步骤A-4；

A-4：将本次未共识的加密后选票预处理数据块和下一次时间片a内进行共识的加密后选票预处理数据块进行合并生成区块，并将区块发送至其它的投票设备，并返回步骤A-3。

10.根据权利要求5所述的一种电子投票***的工作方法，其特征在于：所述的步骤S6中，计票结果的获取公式为：

V＝log_p(p^V)

式中，V为计票结果；p为素数；p^V为根据加密的预处理数据块之积、加密参数之和以及私钥得到的中间参数；

中间参数的获取公式为：

p^V＝[T(g^r)^-K]modq

式中，p^V为根据加密的预处理数据块之积、加密参数之和以及私钥得到的中间参数；T为加密后选票预处理数据块之积；K为加密参数之和；r为私钥；g为公开参数；q为大质数。

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