Electronic Voting Systems

4.4 konventionelle Systeme

Diese Art benötigt keinen anonymen Kanal und setzt ausschließlich asymmetrische und symmetrische Codierungs- und Signatursysteme ein. Wir unterteilen sie nach der Anzahl der unabhängigen Einheiten einer Administration in drei Unterarten, nämlich

1-Instanzensysteme,
2-Instanzensysteme,
Multi-Instanzensysteme.

1-Instanzensysteme gewährleisten durch einen sicheren Kanal (Chiffrierung der Voten) Vertraulichkeit zwischen Wähler und Administration, doch muß der zentralen Instanz vollständig vertraut werden. Der Kryptograph Bruce Schneier beschreibt das Fehlen des Wahlgeheimnis zutreffend: "Das ist so, als würde Ihnen ein Wahlbeobachter in der Wahlkabine über die Schulter schauen" (Schneier, 1996, S. 150). 2-Instanzensysteme beruhen auf der Annahme, die Administration in zwei unabhängige Einheiten aufzuspalten, um den Betrug durch eine Instanz einzuschränken, während Multi-Instanzensysteme mindestens

unabhängige Instanzen benötigen. Von der Anzahl der eingesetzten Instanzen sind externe Trust-Center, welche die öffentlichen Schlüssel der Teilnehmer zertifizierten und verwalten, ausgenommen.

4.4.1 1-Instanzensysteme

Die entwickelten Alpha-1- und Alpha-2-Protokolle können von einer einzigen Einheit geleitet werden, wenn diese die Aufgaben von Auswertungs-Server und BBS ausführt. Ein Protokoll von Slessenger beruht auf einer einzigen Administration und kann die Kriterien "Wahlgeheimnisse" und "Unmittelbarkeit" nicht erfüllen (Slessenger, 1991).

Als Fallbeispiel für chipkartenbasierte 1-Instanzensysteme führen wir ein Protokoll von Riera, Borrell und Rifà an, bei dem die Unmittelbarkeit durch den Einsatz einer fälschungssicheren Chipkarte sichergestellt wird (Riera/Borell/Rifà, 1998), doch bleibt das Kriterium des Wahlgeheimnisses unerreicht. Die Administration besteht aus einem Auswertungs-Server-System, das über ein asymmetrisches Schlüsselpaar verfügt. Trust-Center TC zertifiziert vor Protokollbeginn den öffentlichen Chipkarten-schlüssel Die Chipkarte verfügt über einen geheimen Schlüssel und einen öffentlichen Schlüssel vom Trust-Center. Für jede Wahl erzeugt TC ein neues asymmetrisches Schlüsselpaar . Das Protokoll durchläuft nachstehende Schritte:

Der Wähler authentifiziert sich gegenüber seiner Smart-Card durch PIN (Paßwort).
Anschließend führen die Smart-Card und der Auswertungs-Server ein sicheres Protokoll mit Authentifikation zur Erzeugung eines symmetrischen Session-Schlüssels durch. Alle weiteren wechselseitig zwischen Chipkarte und Auswertungs-Server ausgetauschten Nachrichten werden mit diesem Schlüssel automatisch codiert. Die notwendigen Codierungen und Decodierungen werden hier nicht explizit dargestellt.
Der Auswertungs-Server überträgt die Spezifikation der Wahl Ident (identifiziert die Wahl), den öffentlichen Schlüssel vom Trust-Center und das korrespondierende Zertifikat zur Smart-Card, die dann die Gültigkeit des Zertifikats verifiziert.
Der Client sendet das gewünschte Votum zur Smart-Card. Daraufhin erzeugt sie ein asymmetrisches Schlüsselpaar sowie einen zufälligen symmetrischen Schlüssel
Die Smart-Card signiert das Votum Dann verschlüsselt sie die Signatur mit dem Schlüssel und erhält Smart-Card erzeugt stellt die Wähleridentität dar.
Die Smart-Card signiert mit ihrem geheimen Schlüssel und bekommt Das Paar wird zum Auswertungs-Server gesendet.
Der Auswertungs-Server sendet eine Signatur zum Wert als Empfangsbestätigung, d.h. zur Smart-Card.
Die Smart-Card überträgt den Öffnungsschlüssel zum Auswertungs-Server.
Auswertungs-Server antwortet mit der Bestätigung
Die Smart-Card transferiert die Empfangsbestätigung zum Wähler.
Nach dem Abschluß des Protokolls löscht Smart-Card das Schlüsselpaar sowie den symmetrischen Schlüssel

Nach Ende der Wahlzeit publiziert der Auswertungs-Server die Liste der abgegebenen Stimmen. Gleichzeitig veröffentlicht der Trust-Center seinen geheimen Schlüssel

Tabelle 4.2: Gestalt der Auswertungsliste.

...

Die Smart-Card empfängt den Schlüssel vom Client, den sie auf Korrektheit überprüft. Eine positive Verifikation berechtigt die Smart-Card das Paar zum Wähler zu übertragen. Dieser kann in der Auswertungsliste verifizieren, ob sein Votum korrekt in das Endergebnis einging. Damit endet das Protokoll.

Der Auswertungs-Server sendet im Protokollschritt 7 eine Bestätigung. Erst dann erhält er von der Smart-Card den öffentlichen Schlüssel Diese Maßnahme verhindert die Transmission selektiv gefälschter Empfangsbestätigungen, da der Auswertungs-Server den Inhalt des Votums im Schritt 7 nicht kennt.

Sobald ein böswilliger Auswertungs-Server den Schlüssel besitzt, kann er das Votum modifizieren. Dazu generiert er ein asymmetrisches Schlüsselpaar, fügt seine Signatur hinzu und überträgt die Daten in die Auswertungsliste. Sendet der Wähler die Empfangsbestätigung zum Trust-Center, so ist der betrügerische Auswertungs-Server gefangen.

Ein weiterer Angriff eines böswilligen Auswertungs-Servers besteht in der Vortäuschung, den Schlüssel niemals empfangen zu haben, d.h. er wirft dem Wähler vor, das Protokoll im Schritt 7 abgebrochen zu haben. Riera, Borrell, Rifà lösen das Problem, indem der Trust-Center als vertrauenswürdiger Vermittler der Kommunikation zwischen Wähler und Auswertungs-Server auftritt (Riera/Borrell/Rifà, 1998). Wenn der Wähler das Protokoll stoppt, dann wird die Abgabe als Übertragung eines Blanko-Wahlscheins gewertet. Versucht A Stimmen selektiv zurückzuhalten, dann bricht Trust-Center die Wahl ab. Durch die Erweiterung entsteht ein 2-Instanzensystem.

Anforderungen (Beschreibung)

Authentifikation Der Wähler authentifiziert sich gegenüber der Chipkarte im Schritt 1. Die Chipkarte authentifiziert sich gegenüber dem Auswertungs-Server im Schritt 6.

Übertragungsintegrität Die Übertragungsintegrität wird primär durch Signaturen garantiert.

Korrektheit Aufgrund der Publikation der Auswertungsliste kann die Korrektheit der Ermittlung öffentlich geprüft werden.

Nichtvermehrbarkeit Ein böswilliger Auswertungs-Server kann Stimmen vermehren.

Verifizierbarkeit Das Protokoll realisiert individuelle Verifizierbarkeit. Der Wähler überprüft die Auswertungsliste, indem er darin den öffentlichen Zufallsschlüssel sucht. Kommt sein Schlüssel nicht vor, zeigt dieser die Signatur einem unabhängigen Dritten (z.B. Trust-Center). Das Abändern von Stimmen ist auszuschließen, da ein böswilliger Auswertungs-Server das zugrundeliegende Chipkarten-Signaturschema brechen müßte.

Vertraulichkeit Die Vertraulichkeit der Kommunikation wird durch die Codierung mit dem Session-Schlüssel gewährleistet.

Nichtbeeinflußbarkeit Erfolgt Protokollschritt 8 erst nach Ende der Wahlzeit, dann wird das Kriterium der Nichtbeeinflußbarkeit sichergestellt.

Wahlgeheimnis Der Auswertungs-Server kann Stimmen rückverfolgen, da die Signaturdem Wähler eindeutig zugeordnet werden kann.

Unmittelbarkeit Das Protokoll erreicht z.T. das Kriterium der Unmittelbarkeit. Die Smart-Card hält die Empfangsbestätigung während der Wahlzeit geheim. Sie sendet erst nach der Publikation der Auswertungsliste zum Wähler. Ab diesem Zeitpunkt bringt die Kenntnis der Empfangs-bestätigung für KF oder ZP keinen Nutzen, da auch in der Auswertungsliste erscheint. Der Wähler kann eine beliebige Empfangsbestätigung sowie den korrespondierenden öffentlichen Schlüssel aus der Auswertungsliste laden, welche jenes Votum, das der Käufer verlangt, bestätigen.
Sind KF (bzw. ZP) und Wähler im Verifikationszeitpunkt voneinander räumlich getrennt, dann kann der Wähler keinen Zusammenhang zwischen der Empfangsbestätigung und dem Votum beweisen. Das System bietet aber keine Schutzmaßnahmen vor der Eingabenkontrolle, Ausgabenkontrolle und dem Verkauf der Chipkarte an Dritte.

Effizienz Das Protokoll verzichtet auf anonyme Kanäle und zeichnet sich durch höhere Effizienz aus. Da die Mitwirkung der Chipkarte im Online-Teil des Protokolls erforderlich ist, erscheint der Ansatz als nicht besonders attraktiv, weil Verzögerungen resultieren können. Soll Nichtbeeinflußbarkeit erreicht werden, dann benötigt das Protokoll allerdings zwei Durchgänge.

Skalierbarkeit Die Rechenlast kann durch den Einsatz eines Kommunikationsbaumes auf eine beliebige Anzahl von Auswertungs-Servern verteilt werden (Riera/Borrell/Rifà, 1997).

Ortsunabhängigkeit Beide Szenarien sind realisierbar.

Flexibilität Das Protokoll unterstützt alle Formattypen.

Änderbarkeit Die Änderbarkeit wurde von den Entwicklern nicht vorgesehen.

4.4.2 2-Instanzensysteme

Als Fallbeispiel führen wir ein System von Salomaa an, das aus einem Registrierungs-Server R und Auswertungs-Server A besteht (Salomaa, 1996). Ersterer besitzt ein asymmetrisches Schlüsselpaar und hat die Aufgabe, die Wähleridentitäten zu verifizieren und Registrierungsnummern auszustellen. Letzterer verfügt über ein asymmetrisches Schlüssel-paar Der Wähler kontrolliert das Schlüsselpaar Alle öffentlichen Schlüssel wurden von TC zertifiziert.

Jeder Client authentifiziert sich per Signatur gegenüber dem Registrierungs-Server und verlangt eine Registrierungsnummer.
Der Registrierungs-Server überprüft, ob der Wähler schon einmal eine Registrierungs-nummer erhielt. Anschließend protokolliert dieser die Wähleridentität und sendet die Registrierungnummer in codierter Form mit seiner Unter-schrift zurück zum Wähler. Der Registrierungs-Server verwaltet eine Liste, die aus den Attributen (Registrierungsnummer, Empfängeridentität) besteht. Nach dem Ende der Registrierungsfrist überträgt der Registrierungs-Server eine signierte und codierte Liste der gültigen Registrierungsnummern zum Auswertungs-Server.
entschlüsselt die empfangenen Daten und überprüft die Korrektheit der Signatur des Registrierungs-Servers. generiert eine zufällige Pseudonymnummer Die Wahldaten transferiert er in codierter Form zum Auswertungs-Server, wobei das Votum darstellt.
Der Auswertungs-Server sendet eine Signatur als Empfangsbestätigung zu A verifiziert anhand der vom Registrierungs-Server gesendeten Liste und markiert dann den Eintrag , um mehrfache Stimmabgaben zu verhindern.
Der Auswertungs-Server überträgt Pseudonymnummer und Entscheidung in die Auswertungsliste.
Nach Ende der Wahlzeit publiziert A das Wahlergebnis und Auswertungsliste im BBS.

Unberechtigte Wähler können das Protokoll betrügen, falls sie eine gültige Registrierungs-nummer erraten. Wenn die Länge der Registrierungsnummern hinreichend groß ist (z.B. 200-stellige Nummern), dann ist die Erfolgswahrscheinlichkeit einer solchen Attacke gering. Dem Registrierungs-Server muß vertraut werden, die Spezifikation ordnungsgemäß zu verfolgen. Die Publikation einer Liste registrierter Wähler erhöht die Sicherheit. Wenn die Anzahl der gewerteten Stimmen größer als die Anzahl der registrierten Wähler ist, versuchen Registrierungs-Server und/oder Auswertungs-Server die Wahl zu betrügen.

	Anforderungen (Beschreibung)
Authentifikation	Die Authentifikation leistet die Wählersignatur.
Übertragungsintegrität	Wenn das eingesetzte Netzprotokoll sicher ist, erreicht das System das Kriterium der Übertragungsintegrität.
Korrektheit	Die Korrektheit der Auswertung wird aufgrund der Publikation der Auswertungsliste erreicht.
Verifizierbarkeit	Weder Auswertungs-Server noch Registrierungs-Server können Stimmabgaben verändern, da der Wähler verifiziert, ob sein Votum unter der Pseudonymnummer korrekt gezählt wurde. Findet der Wähler seine Stimme nicht in der entsprechenden Liste, dann wurde ein Betrug entdeckt.
Vertraulichkeit	Die Vertraulichkeit der Kommunikation ergibt sich wegen der asymmetrischen Verschlüsselung.
Nichtvermehrbarkeit	Dem Registrierungs-Server muß vertraut werden, da er unberechtigte Wähler teilnehmen oder berechtigte Wähler mehrmals wählen lassen kann.
Nichtbeeinflußbarkeit	Nicht möglich.
Wahlgeheimnis	Das System erreicht nur eine schwache komplexitätstheoretische Nichtzurückverfolgbarkeit. Solange kein Netzbeobachter imstande ist, das Schlüsselschema des Auswertungs-Servers zu brechen, bleibt die Anonymität gewahrt. Verknüpfen der Auswertungs-Server und der Registrierungs-Server ihre Datenbanken, dann wird das Wahl-geheimnis aufgehoben, da der Zusammenhang zwischen Pseudonym und Registrierungsnummer hergestellt werden kann. Zudem vermag der Auswertungs-Server aus der Netzadresse des Senders spekulative Rückschlüsse über die Wähleridentität zu ziehen.
Unmittelbarkeit	Nicht möglich, da z.B. die Pseudonymnummer vorgegeben werden kann.
Effizienz	Das System zeichnet sich durch Effizienz aus, da nur zwei Einheiten eingesetzt werden müssen. Die Durchgangskomplexität beträgt zwei Schritte.
Skalierbarkeit	Die beliebige Erweiterung des Systems ist durchführbar.
Ortsunabhängigkeit	Netz-Szenario und Wahlzellen-Szenario können uneingeschränkt eingesetzt werden.
Flexibilität	Beliebige Formate können eingesetzt werden.
Änderbarkeit	Das System realisiert die Änderbarkeit, wenn der Wähler unter der Pseudonymnummer seine geänderte Stimme nochmals senden darf.

4.4.3 Multi-Instanzensysteme

Der Ansatz von Jing-Jang Hwang ist ein Versuch, das Paradigma konventioneller Wahlen realitätsnahe in die elektronische Welt zu übertragen. Die Prämisse, Einfachheit dient der sozialen Akzeptanz, motivierte die Protokollentwicklung: "Complicated formulas would certainly not help social acceptance; we prefer technical simplicity" (Hwang, 1996, S. 252).

Die Administration besteht aus fünf unterschiedlichen Instanzen:

Verteilungs-Server (V): Dieser verteilt Berechtigungstoken und leere E-Wahlscheine an authentifizierte Teilnehmer.
Sammel-Server (S): Jeder Client überträgt zu S einen chiffrierten Wahlschein mit Signatur. S entfernt die Wählersignatur und überträgt die codierten Wahlscheine in eine Liste.
Schlüssel-Server (SS): Der Schlüssel-Server empfängt von jedem Client einen signierten und chiffrierten symmetrischen Schlüssel zum Dechiffrieren des codierten Wahlscheins. SS entfernt die Wählersignatur und überträgt die Schlüssel in eine Liste.
Misch-Server (MS): Dieser empfängt vom Sammel-Server eine Liste codierter Wahlscheine mit Berechtigungstoken und vom Schlüssel-Server die symmetrischen Schlüssel mit Berechtigungstoken. Er entschlüsselt die Wahlscheine, mischt die Reihenfolge der Stimmdaten und sendet die Resultate zum Auswertungs-Server.
Auswertungs-Server (A): Evaluiert die Resultate und präsentiert die Ergebnisse im BBS.

Jede Einheit besitzt ein asymmetrisches Schlüsselpaar. TC hat alle öffentlichen Schlüssel zertifiziert. Das Protokoll besteht aus den nachfolgenden Schritten:

Der Verteilungs-Server erzeugt eine Liste aller Stimmberechtigten und verwaltet die öffentlichen Schlüssel aller Teilnehmer. Dann erzeugt dieser für den Teilnehmer eine Nachricht, die aus einem leeren Wahlschein und einem Berechtigungstoken besteht. Das Berechtigungstoken besteht aus einer Identifizierungsnummer und Signatur des Verteilungs-Servers .
V erzeugt nach positiver Authentifikation von einen leeren Wahlschein (Bitrahmen) und ein Berechtigungstoken mit Signatur. Beide Daten werden mit dem öffentlichen Schlüssel von codiert. Das chiffrierte Datum wird an gesendet.
Jeder Client überprüft die Gültigkeit der Signatur zum Berechtigungstoken und trägt seine Entscheidung zusammen mit einer Verifikationsnummer in den leeren digitalen Wahlschein ein.
Jeder Client generiert einen symmetrischen Schlüssel mit dem er seinen Wahlschein verschlüsselt. Dann erzeugt er zwei Nachrichten: Die erste Nachricht enthält den chiffrierten Wahlschein und Berechtigungstoken sowie eine korrespondierende Wählersignatur:

Die zweite Nachricht enthält den symmetrischen Schlüssel, Berechtigungstoken, und die Wählersignatur:

Die erste Nachricht chiffriert Client mit dem öffentlichen Schlüssel vom Sammlungs-Server und die zweite mit dem öffentlichen Schlüssel des Schlüssel-Servers . Die erste Nachricht sendet zum Sammel-Server und die zweite zum Schlüssel-Server.
Beide Server bestätigen den Empfang, indem sie dem Wähler eine Signatur zu den erhaltenen Datenpakten liefern.
Der Sammlungs-Server verifiziert Authentizität und Einmaligkeit der empfangenen Nachrichten. Ungültige Wählersignaturen oder Duplikate der Berechtigungstoken werden veröffentlicht. Anschließend entfernt S die Wählersignaturen, fügt die verbleibenden Daten in einer Liste zusammen und signiert sie. Der Sammel-Server überträgt die Liste der chiffrierten Wahlscheine sowie die Berechtigungstoken mit seiner Signatur zum Misch-Server. Auch der Schlüssel-Server entfernt die Wählersignaturen, faßt die verbleibenden Daten in einer Liste zusammen und signiert sie. Dann sendet er Liste und Signatur in codierter Form zum Misch-Server. Außerdem veröffentlicht der SS fehlerhafte Daten.
Der Misch-Server MS verknüpft die Einträge der beiden Listen anhand des Berechtigungstoken, entschlüsselt die Wahlscheine und entfernt die Berechtigungstoken. Dann mischt er die Reihenfolge der Liste, die aus den Einträgen Verifikationsnummer und Entscheidung besteht, signiert die endgültige Liste und überträgt diese zum Auswertungs-Server. Nichtverknüpfbare Wahldaten sind ungültig und müssen daher eliminiert werden.
A zählt die Stimmen, publiziert das Resultat und die Auswertungsliste.

	Anforderungen (Beschreibung)
Authentifikation	Der Verteilungs-Server stellt nur bei korrekter Wähler-Authentifikation ein Berechtigungstoken aus.
Übertragungsintegrität	Durch die Signatur des Registrierungs-Servers zum Berechtigungstoken und durch die Empfangsbestätigungen wird die Übertragungsintegrität gewährleistet.
Korrektheit	Die Korrektheit der Auswertung ist für jeden Außenstehenden aufgrund der öffentlichen Auswertungsliste nachvollziehbar.
Verifizierbarkeit	A publiziert nach Wahlende eine individuell verifizierbare Liste. Ungültige Stimmen werden mit Berechtigungstoken publiziert. S und SS publizieren fehlerhafte Wählersignaturen. Jede Instanz leistet eine Signatur, so daß eine böswillige Einheit rückverfolgt werden kann. Ein betrügerischer Misch-Server vermag Wahlscheine zu ändern. Doch kann eine solche Attacke erkannt werden, wenn die Wähler ihre Stimmabgaben verifizieren.
Vertraulichkeit	Das Votum wird mit einem symmetrischen Schlüssel codiert, dadurch wird die Vertraulichkeit der Kommunikation vor Außenstehenden sichergestellt.
Nichtvermehrbarkeit	Die Berechtigungstoken verhindern die Wahlschein-Vermehrung. Ein Angreifer kann keine Stimmen für Nichtwähler abgeben, da er keine Wählersignaturen produzieren kann, vorausgesetzt, die eingesetzten Signaturschemen gelten als sicher. Eine böswillige Administration ist trotzdem imstande, Stimmen für Nichtwähler unbemerkt abzugeben, da die Wählersignaturen nicht publiziert werden.
Nichtbeeinflußbarkeit	Das Kriterium der Nichtbeeinflußbarkeit wird nicht erreicht, wenn Misch-Server, Schlüssel-Server, Sammel-Server kooperieren und alle Stimmen frühzeitig entschlüsseln.
Wahlgeheimnis	Ohne Kooperation von Misch- und Verteilungs-Server oder Misch- und Sammel-Server oder Misch- und Schlüssel-Server bleibt die Nichtrückverfolgbarkeit komplexitätstheoretisch gewahrt.
Unmittelbarkeit	Nicht möglich.
Effizienz	Die Stimmabgabe ist in zwei Schritten möglich.
Skalierbarkeit	Eine beliebige Skalierbarkeit läßt sich erzielen.
Ortsunabhängigkeit	Das Netz-Szenario und das Wahlzellen-Szenario sind realisierbar.
Flexibilität	Das System unterstützt beliebige Formate.
Änderbarkeit	Die Änderbarkeit der Stimme wird hier nicht unterstützt. Trotzdem besteht die Möglichkeit, Stimmen zu ändern: Dazu sendet der Client seine geänderte Stimme mit Berechtigungstoken u. Verifikationsnummer.