Tài liệu Nghiên cứu và thử nghiệm mô hình bỏ phiếu thăm dò dư luận 04

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ THỊ QUYÊN NGHIÊN CỨU VÀ THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH BỎ PHIẾU THĂM DÕ DƢ LUẬN LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ THỊ QUYÊN NGHIÊN CỨU VÀ THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH BỎ PHIẾU THĂM DÕ DƢ LUẬN Ngành: Công nghệ Thông tin Chuyên ngành: Hệ thống Thông tin Mã số: 60.48.01.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ PHÊ ĐÔ Hà Nội - 2015 LỜI CẢM ƠN Luận văn Thạc sĩ này đƣợc thực hiện tại Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Lê Phê Đô. Xin đƣợc gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy về định hƣớng khoa học, liên tục quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu hoàn thành luận văn này. Tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô trong Bộ môn Hệ thống Thông tin cũng nhƣ Khoa Công nghệ Thông tin đã mang lại cho tôi những kiến thức vô cùng quý giá và bổ ích trong quá trình theo học tại trƣờng. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn đến gia đình tôi, những sự quan tâm và động viên của bố, mẹ, anh trai và em gái đã giúp tôi có thêm nghị lực, cố gắng để hoàn thành luận văn này. Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các bạn cùng học K19, K20 cùng các bạn sinh viên K55 đã giúp đỡ tôi trong suốt 3 năm học tập. Do thời gian và kiến thức có hạn nên luận văn chắc không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Tôi rất mong nhận đƣợc những sự góp ý quý báu của thầy cô và các bạn. Hà Nội, ngày 1 tháng 7 năm 2015 Vũ Thị Quyên TÓM TẮT Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của Internet và World Wide Web khiến các nhà chức trách nghiên cứu và tận dụng nguồn lực mới này để nâng cao hiệu quả và tính chính xác của các cuộc bầu cử. Bỏ phiếu điện tử cho phép tiết kiệm chi phí về vật chất trong việc triển khai và hoạt động của các trạm bỏ phiếu. Các tính toán và thống kê của máy tính rõ ràng tỏ ra hiệu quả, nhanh và chính xác hơn nhiều so với việc kiểm phiếu trên giấy, hệ thống quét quang học, hay đục lỗ thẻ truyền thống. Tuy nhiên vấn đề an ninh hệ thống còn rất nhiều lỗ hổng cần khắc phục dẫn đến mô hình bỏ phiếu điện tử chƣa đƣợc ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Hiện nay, mô hình bỏ phiếu điện tử còn đƣợc đón nhận dƣới dạng thăm dò dƣ luận, hay khảo sát ngƣời dân về sở thích hoặc thăm dò ý kiến của họ trƣớc cuộc tuyển cử… Các hệ thống bỏ phiếu từ xa trƣớc đây hầu nhƣ sử dụng các hệ mã hóa công khai nhƣ RSA, ElGamal hoặc phối hợp sử dụng các hệ mã hóa đó vào từng giai đoạn khác nhau. Tuy nhiên đó chƣa phải là cách tối ƣu do độ dài khóa và tốc độ xử lý chậm. Trong luận văn này, tôi đã thử nghiệm mô hình bỏ phiếu thăm dò dƣ luận sử dụng Hệ mật đƣờng cong Elliptic – Một hệ mã hóa công khai với độ dài khóa ngắn hơn và độ an toàn tƣơng đƣơng nhƣ RSA để áp dụng vào công tác thăm dò của một trƣờng THPT hoặc một trƣờng Đại học. Từ khóa: Bỏ phiếu điện tử, Thăm dò dƣ luận, EC-ElGamal, An toàn thông tin i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu và thử nghiệm mô hình bỏ phiếu thăm dò dƣ luận” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Lê Phê Đô, trung thực và không sao chép của tác giả khác. Trong toàn bộ nội dung nghiên cứu của luận văn, các vấn đề đƣợc trình bày đều là những tìm hiểu và nghiên cứu của chính cá nhân tôi hoặc là đƣợc trích dẫn từ các nguồn tài liệu có ghi tham khảo rõ ràng, hợp pháp. Tôi xin chịu mọi trách nhiệm và mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan này. Hà Nội, ngày 1 tháng 7 năm 2015 Vũ Thị Quyên ii MỤC LỤC TÓM TẮT.........................................................................................................................i LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................................vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ...................................................................... vii DANH SÁCH BẢNG BIỂU ....................................................................................... viii MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ BỎ PHIẾU ĐIỆN TỬ..................................................... 3 Ở MỘT SỐ NƢỚC TRÊN THẾ GIỚI ............................................................................ 3 1.1. Lịch sử máy bầu cử trên thế giới .......................................................................... 3 1.1.1. Đục lỗ thẻ ...................................................................................................... 3 1.1.2. Hệ thống quét quang học ............................................................................... 3 1.1.3. Thiết bị điện tử ghi nhận trực tiếp (DRE – Direct-recording Electronic) ..... 4 1.1.4. Bỏ phiếu điện tử ............................................................................................ 4 1.2. Hệ thống bầu cử điện tử Estonia .......................................................................... 5 1.2.1. Giới thiệu ....................................................................................................... 5 1.2.2. Cơ sở hệ thống ............................................................................................... 5 1.2.3. Đánh giá an ninh hệ thống ............................................................................. 8 1.2.4. Nhận xét về hệ thống bầu cử ở Estonia ......................................................... 9 1.3. Hệ thống bầu cử điện tử Israel............................................................................ 10 1.3.1. Giới thiệu ..................................................................................................... 10 1.3.2. Hệ thống RFID ............................................................................................ 11 1.3.3. Hệ thống bầu cử điện tử Israel .................................................................... 11 1.3.4. Các tính năng an ninh của hệ thống ............................................................ 13 1.4. Đánh giá hai hệ thống bầu cử Estonia và Israel ................................................. 14 1.5. Hệ thống bỏ phiếu thăm dò dƣ luận trực tuyến .................................................. 15 1.5.1. Giới thiệu ..................................................................................................... 15 1.5.2. Hệ thống thăm dò dƣ luận trực tuyến .......................................................... 16 1.5.3. Ý tƣởng phần mềm cho bỏ phiếu nhiều lần và bỏ phiếu tự động ............... 16 1.5.4. Kỹ thuật bảo vệ chống lại bỏ phiếu tự động................................................ 17 1.5.5. Giải pháp chống lại bỏ phiếu tự động ......................................................... 19 1.6. Tình hình bầu cử điện tử ở Việt Nam ................................................................. 21 1.6.1. Tổng quan về tình hình bỏ phiếu điện tử của nƣớc ta ................................. 21 1.6.2. Bỏ phiếu điện tử phục vụ công tác thi đua khen thƣởng tại Cơ quan EVNCPC ............................................................................................................... 21 1.6.3. Bỏ phiếu điện tử tại kì họp đại hội cổ đông (ĐHCĐ) ................................. 23 Chƣơng 2. CƠ SỞ TOÁN HỌC TRONG BẦU CỬ ĐIỆN TỬ .................................... 25 2.1. Lý thuyết toán học .............................................................................................. 25 2.1.1. Số nguyên tố. ƢCLN. BCNN ...................................................................... 25 iii 2.1.2. Nhóm. Vành. Trƣờng. Trƣờng hữu hạn ...................................................... 25 2.1.3. Định lý Euler ............................................................................................... 27 2.1.4. Định lý Ferma .............................................................................................. 27 2.1.5. Hàm một phía và cửa sập một phía ............................................................. 28 2.2. Mật mã ................................................................................................................ 28 2.2.1. Khái niệm .................................................................................................... 28 2.2.2. Hệ mã hóa ElGamal..................................................................................... 29 2.2.3. Hệ mã hóa RSA ........................................................................................... 30 2.2.4. Hệ mã hóa Paillier ....................................................................................... 31 2.3. Chữ kí điện tử ..................................................................................................... 31 2.3.1. Sơ đồ ký điện tử ........................................................................................... 31 2.3.2. Chữ ký mù RSA .......................................................................................... 32 2.3.3. Chữ ký nhóm (Group Signature) ................................................................. 33 2.4. Hàm băm (Hash Function) ................................................................................. 34 2.5. Chia sẻ bí mật ..................................................................................................... 35 2.5.1. Khái niệm chia sẻ bí mật ............................................................................. 35 2.5.2. Giao thức “Chia sẻ bí mật” Sharmir ............................................................ 36 2.6. Logarit rời rạc ..................................................................................................... 37 2.6.1 Các khái niệm cơ sở ..................................................................................... 37 2.6.2 Thuật toán bƣớc Baby và bƣớc Giant của Shank ......................................... 38 2.6.3 Thuật toán Pollig – Hellman......................................................................... 39 Chƣơng 3. CÁC THUẬT TOÁN NỀN TẢNG TRONG BỎ PHIẾU ĐIỆN TỬ ............. 42 3.1. Hệ thống bầu cử .................................................................................................. 42 3.1.1. Khái niệm bầu cử điện tử ............................................................................ 42 3.1.2. Mô hình bài toán bỏ phiếu điện tử............................................................... 42 3.1.3. Yêu cầu của hệ thống bầu cử ....................................................................... 43 3.1.4. Những vấn đề cần giải quyết ....................................................................... 43 3.2. Hệ mã hóa đồng cấu ........................................................................................... 44 3.2.1. Định nghĩa ................................................................................................... 44 3.2.2. Phân loại mã hoá đồng cấu .......................................................................... 44 3.2.3. Mô hình hệ mã hóa đồng cấu trong bầu cử điện tử ..................................... 46 3.3. Hệ mã hóa EC-ElGamal ..................................................................................... 51 3.3.1. Giới thiệu ..................................................................................................... 51 3.3.2. Đƣờng cong Elliptic trên trƣờng hữu hạn Fp ............................................... 52 3.3.3. Hệ mã hóa EC-ElGamal .............................................................................. 56 3.3.4. Hệ mật đƣờng cong Elliptic ứng dụng trong bầu cử điện tử ....................... 58 3.3.5. Ví dụ về trƣờng hợp thăm dò dƣ luận ......................................................... 60 3.3.6. Đánh giá độ an toàn của hệ thống ............................................................... 61 3.4. Mô hình bỏ phiếu điện tử dựa trên chữ kí vòng ................................................. 62 3.4.1. Giới thiệu ..................................................................................................... 62 iv 3.4.2. Định nghĩa chữ kí vòng ............................................................................... 63 3.4.3. Mô hình chữ kí vòng (RSA Version) .......................................................... 63 3.4.4. Ứng dụng của chữ kí vòng trong bầu cử điện tử ......................................... 66 3.4.5. Các tính chất đạt đƣợc ................................................................................. 69 Chƣơng 4. CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM ............................................................ 70 4.1. Xây dựng chƣơng trình thử nghiệm mô hình bỏ phiếu thăm dò dƣ luận ........... 70 4.1.1. Các đối tƣợng của hệ thống ......................................................................... 70 4.1.2. Các chức năng chính ................................................................................... 70 4.1.3. Thiết kế chƣơng trình .................................................................................. 71 4.1.4. Thứ tự thực hiện chƣơng trình..................................................................... 71 4.1.5. Kết quả thực nghiệm ................................................................................... 72 4.2. Các tính chất đạt đƣợc ........................................................................................ 82 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 84 v DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ID - Identification Định danh cử tri VFS/HES - Vote forwarding server Máy chủ chuyển tiếp lá phiếu VSS/HTS - Vote storage server Máy chủ lƣu trữ lá phiếu VCS/HLR - Vote counting server Máy kiểm phiếu RFID - Radio Frequency Identification Công nghệ nhận dạng đối tƣợng bằng sóng vô tuyến ĐHCĐ Đại hội cổ đông HĐQT Hội đồng quản trị GDCK Giao dịch Chứng khoán EzGSM ĐHCĐ trực tuyến – plaintext Tập các bản rõ – Ciphertext Tập các bản mã Đƣờng cong elliptic xác định trên trƣờng Fq # ( ) Tất cả số điểm trên Vi Cử tri i P Hệ thống khóa công khai X||Y Thông điệp X kết nối với thông điệp Y bit by bit KDC – Key Distribution Center Trung tâm phân phối khóa PK – Public key Khóa công khai SK – Secret key Khóa bí mật vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Chứng minh thƣ điện tử ở Estonia .................................................................. 6 Hình 1.2. Hệ thống bầu cử điện tử Estonia ..................................................................... 7 Hình 1.3. Cử tri sử dụng điện thoại thông minh quét mã xác thực QR ........................... 8 Hình 1.4. Kết quả bầu cử ................................................................................................. 8 Hình 1.5. Thiết bị RFID ................................................................................................ 11 Hình 1.6. Hệ thống bỏ phiếu Israel................................................................................ 13 Hình 1.7. Các lựa chọn trong cuộc bình chọn bài hát Việt 2015 .................................. 18 Hình 1.8. Kết quả bình chọn .......................................................................................... 18 Hình 1.9. Thông báo lỗi bình chọn ................................................................................ 18 Hình 1.10. Một cuộc thăm dò dƣ luận ở trang 24h.com ............................................... 20 Hình 1.11. Nhập mã xác nhận ...................................................................................... 20 Hình 1.12. Kết quả bình chọn ....................................................................................... 20 Hình 1.13. Thăm dò ý kiến ngƣời dân về nguyên nhân tai nạn giao thông tăng cao .... 21 Hình 1.14. Giao diện chức năng bỏ phiếu của chƣơng trình CPC eVote ...................... 22 Hình 1.15. Tất cả thành viên đều có thể xem đƣợc dữ liệu tổng hợp kết quả ............... 23 Hình 1.17. Cổ đông lựa chọn ý kiến biểu quyết ............................................................ 24 Hình 2.1. Sơ đồ mã hóa và giải mã ............................................................................... 29 Hình 3.1. Phép cộng trên đƣờng cong Elliptic .............................................................. 53 Hình 3.2. Phép nhân đôi trên đƣờng cong Elliptic ........................................................ 54 Hình 3.3. Minh họa cho hàm hợp .................................................................................. 65 Hình 3.4. Mô hình chữ kí vòng ..................................................................................... 65 Hình 4.1: Giao diện chính của chƣơng trình ................................................................. 72 Hình 4.2. Ban lƣu trữ khóa đăng nhập vào hệ thống ..................................................... 72 Hình 4.23. Ban lƣu trữ khóa đăng nhập sai ................................................................... 72 Hình 4.4. Ban lƣu trữ khóa đăng nhập thành công ........................................................ 73 Hình 4.5. Giao diện chính của ban lƣu trữ khóa ........................................................... 73 Hình 4.6. Tạo thành công CSDL cử tri ......................................................................... 74 Hình 4.7. Tạo thành công CSDL ban kiểm phiếu ......................................................... 74 Hình 4.8. Cử tri đăng nhập vào hệ thống ...................................................................... 74 Hình 4.9. Cử tri đăng nhập không thành công .............................................................. 75 Hình 4.10. Cử tri đăng nhập thành công ....................................................................... 75 vii Hình 4.11. Thông báo nhắc nhở cử tri đổi mật khẩu ..................................................... 75 Hình 4.12. Quá trình bầu cử .......................................................................................... 76 Hình 4.13. Cử tri cập nhật thông tin .............................................................................. 76 Hình 4.14. Cập nhật thông tin cử tri thành công ........................................................... 77 Hình 4.15. Thông báo nhắc nhở lựa chọn của cử tri ..................................................... 77 Hình 4.16. Thông báo xác nhận lựa chọn của cử tri...................................................... 77 Hình 4.17. Thông báo bỏ phiếu thanh công .................................................................. 78 Hình 4.18. Ban kiểm phiếu đăng nhập vào hệ thống .................................................... 78 Hình 4.19. Ban kiểm phiếu đăng nhập sai ..................................................................... 78 Hình 4.20. Ban kiểm phiếu đăng nhập thành công ....................................................... 79 Hình 4.21. Mảnh khóa của ban kiểm phiếu ................................................................... 79 Hình 4.22. Ban kiểm phiếu cập nhật thông tin .............................................................. 79 Hình 4.23. Ban kiểm phiếu cập nhật thông tin thành công ........................................... 80 Hình 4.24. Thông báo xác nhận quá trình gửi mảnh khóa ............................................ 80 Hình 4.25. Gửi mảnh khóa thành công.......................................................................... 80 Hình 4.26. Xác nhận ghéo mảnh khóa .......................................................................... 81 Hình 4.27. Thông báo ghép mảnh khóa thành công ...................................................... 81 Hình 4.28. Kết quả bầu cử ............................................................................................. 81 Hình 4.29. Cơ sở dữ liệu trong mô hình bỏ phiếu ......................................................... 82 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 3.1. bảng thống kê sự lựa chọn của các cử tri ...................................................... 49 Bảng 3.2. Thống kê các lá phiếu mã hóa của cử tri....................................................... 50 Bảng 3.3. mô hình phân cấp của hệ mã hóa trên đƣờng cong Elliptic .......................... 51 Bảng 3.4. Điểm cơ sở đại diện cho mỗi sự lựa chọn ..................................................... 60 Bảng 3.5. Bảng so sánh về độ an toàn của EC-ElGamal và Elagamal .......................... 62 viii MỞ ĐẦU Bầu cử là một quá trình đƣa ra quyết định của ngƣời dân để chọn ra một cá nhân nắm giữ các chức vụ thuộc chính quyền. Đây là cơ chế thông thƣờng mà các nền dân chủ hiện dùng để phân bổ chức vụ trong bộ máy lập pháp và ở chính quyền địa phƣơng. Đã có rất nhiều gian lận và các trƣờng hợp tiêu cực xảy ra, vấn đề cần giải quyết ở đây là phải đảm bảo cuộc bầu cử là một quá trình công khai, có an ninh chặt chẽ và độ tin cậy cao. Quá trình bẩu cử truyền thống bao gồm một hệ thống, cử tri sẽ đến các trạm bỏ phiếu và gửi phiếu bầu của mình ở đó. Sau đó, ban kiểm phiếu sẽ thống kê phiếu bầu bằng tay và đƣa ra kết quả. Rõ ràng bỏ phiếu truyền thống có một số nhƣợc điểm nhƣ: tốn nhiều thời gian để kiểm phiếu bằng tay và có sai số trong việc kiểm phiếu. Ngoài ra, sẽ phải tốn chi phí để cử tri đến các trạm bỏ phiếu để tham gia. Trong thời đại của Internet với băng thông rộng, điện thoại thông minh, máy tính bảng đƣợc kết nối gần nhƣ ở khắp mọi nơi thì các lá phiếu giấy có vẻ đi ngƣợc thời đại. Hàng ngàn tỷ đô la tài chính đƣợc giao dịch mỗi ngày thông qua Internet, vậy tại sao bỏ phiếu điện tử lại không thể? Hiện nay bỏ phiếu điện tử không phải một giấc mơ xa xôi, nhiều quốc gia đã nghiên cứu và thử nghiệm với nó. Tại Canada, hàng chục thành phố đã sử dụng Internet biểu quyết trong bỏ phiếu đô thị. Estonia cũng là nƣớc đầu tiên thử nghiệm mô hình bỏ phiếu điện tử vào năm 2007, với khoảng một phần tƣ dân số (1,3 triệu ngƣời) tham gia bƣớc đầu đánh dấu sự phát triển của bầu cử điện tử. Tuy nhiên, bài học của cuộc cách mạng kĩ thuật số là không có hệ thống nào là an toàn tuyệt đối, vấn đề xác thực cử tri và việc đảm bảo an ninh hệ thống bỏ phiếu điện tử đƣợc các nhà thiết kế đặt lên hàng đầu. Một số nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng cách tốt nhất để đảm bảo rằng phiếu không bị giả mạo là chúng phải đƣợc ghi trên giấy trƣớc khi chúng đƣợc ghi lại bởi một máy tính. Bằng cách đó nếu có bất kỳ câu hỏi liệu máy bỏ phiếu là đối tƣợng giả mạo, hoặc thậm chí chỉ là lỗi phần mềm và lỗi của con ngƣời thì luôn luôn có một bản ghi vật lý có thể đƣợc xác nhận bởi bất kỳ quan sát viên bầu cử. Việc đƣa hệ thống bỏ phiếu điện tử vào sử dụng rộng rãi còn gặp rất nhiều trở ngại lớn và rất phức tạp. Nhƣng hiện nay trên thế giới, hệ thống thăm dò dƣ luận lại rất phổ biến và đƣợc ứng dụng rộng rãi. Đó có thể là các cuộc bình chọn về một sở thích, ý kiến ngƣời dân về vấn đề cấp thiết trong xã hội hoặc các cuộc thăm dò trƣớc các cuộc tranh cử. Các cuộc thăm dò dƣ luận độc lập này phản ánh và đánh giá khách quan, trung thực về hiện trạng ý kiến ngƣời dân. Đối với cuộc thăm dò trƣớc chiến dịch tranh cử có ý nghĩa rất lớn, nó mang lại cho cử tri cái nhìn tổng thể hơn về bức tranh chính trị đang diễn ra, từ đó trở thành một phần quan trọng trong tiến trình bầu cử. 1 Các hệ thống bỏ phiếu trực tuyến trƣớc đây hầu nhƣ sử dụng các hệ mã hóa công khai nhƣ RSA, ElGamal hoặc phối hợp sử dụng các hệ mã hóa đó vào từng giai đoạn khác nhau. Tuy nhiên đó chƣa phải là cách tối ƣu do độ dài khóa và tốc độ xử lý chậm. Trong luận văn này, tôi nghiên cứu về ba thuật toán nền tảng trong bầu cử điện tử và sử dụng một thuật toán để đƣa ra mô hình thử nghiệm, cụ thể là “Hệ mật đƣờng cong Elliptic – Một hệ mã hóa công khai với độ dài khóa ngắn hơn và độ an toàn tƣơng đƣơng nhƣ RSA” để áp dụng vào một giai đoạn của bầu cử điện tử, là mô hình bỏ phiếu thăm dò dƣ luận đƣợc triển khai một trƣờng phổ thông. Nội dung khóa luận gồm các chƣơng sau: Phần mở đầu Chƣơng 1. Giới thiệu về cấu trúc và hoạt động của một số hệ thống bầu cử điện tử ở một số nƣớc trên thế giới: Estonia, Israen. Đồng thời nghiên cứu hệ thống thăm dò dƣ luận hiện nay. Chƣơng 2. Trình bày cơ sở toán học trong bầu cử điện tử Chƣơng 3. Trình bày một số thuật toán nền tảng và giao thức phổ biến trong bầu cử điện tử: thuật toán mã hóa đồng cấu, hệ mã hóa trên đƣờng cong elliptic và mô hình chữ kí vòng. Chƣơng 4. Xây dựng và thử nghiệm mô hình bỏ phiếu thăm dò dƣ luận trong một trƣờng phổ thông sử dụng hệ mã hóa trên đƣờng cong elliptic. Kết luận và hƣớng phát triển Rút ra kết luận và hƣớng phát triển của luận văn. 2 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ BỎ PHIẾU ĐIỆN TỬ Ở MỘT SỐ NƢỚC TRÊN THẾ GIỚI Trong chƣơng 1 này tôi tìm hiểu về lịch sử bầu cử trên thế giới, sau đó giới thiệu cấu trúc và hoạt động hai mô hình bỏ phiếu trên thế giới đó là Estonia và Israel. Hai nƣớc sử dụng hai hình thức khác nhau trong xác thực cử tri. Một nƣớc đã tin tƣởng vào cử tri, để cho các cử tri sử dụng các thiết bị của họ để bỏ phiếu, một nƣớc sử dụng thiết bị vận hành và duy trì bởi cơ quan bỏ phiếu, cử tri vẫn phải đến trạm bỏ phiếu. Từ đó đƣa ra nhận xét và phân tích vấn đề an ninh của mỗi mô hình. Bên cạnh đó, tôi đã tìm hiểu hệ thống thăm dò dƣ luận phục vụ cho việc trƣng cầu dân ý, ứng dụng để khảo sát ý kiến hay sở thích của ngƣời dân. Sau đó đƣa ra một kĩ thuật bảo vệ và ngăn chặn các phần mềm làm sai lệch kết quả thăm dò. 1.1. Lịch sử máy bầu cử trên thế giới 1.1.1. Đục lỗ thẻ Ở Mỹ, lịch sử công nghệ bỏ phiếu khác nhau ở mỗi bang. Có rất ít nơi tiến hành bầu cử thông thƣờng với việc đánh dấu “x” bên cạnh tên ứng viên nhƣ trƣớc đây. Tuy nhiên vào những năm 2000, nhiều hệ thống đƣợc vi tính hóa vẫn phụ thuộc vào lá phiếu trên giấy. Trên đó cử tri điền các vòng tròn hoặc nối các đƣờng kẻ. Sau đó những lá phiếu này sẽ đƣợc quét bằng máy để lấy kết quả. Với hệ thống đục lỗ thẻ, lá phiếu sẽ đƣợc làm trên những chiếc thẻ hoặc chiếc thẻ đƣợc gắn vào một bộ phận trong lá phiếu. Trong hệ thống này, cử tri sẽ đƣợc ban bầu cử cung cấp thiết bị đục lỗ, sau đó cử tri sẽ bấm lỗ bên cạnh sự lựa chọn của mình trên các phiếu bầu giấy. Sau khi bỏ phiếu cử tri có thể quét trực tiếp thẻ của mình vào hệ thống máy tính tại các điểm bỏ phiếu hoặc đƣa thẻ vào các thùng phiếu. Biểu quyết đục lỗ trên thẻ có nguồn gốc từ những năm 1890, và nhà phát minh tiếp tục phát triển và nghiên cứu trong những năm sau đó. Hai loại đục lỗ thẻ phổ biến đƣợc sử dụng ở Mỹ là thẻ “Votomatic” và thẻ “Datavote”. Với thẻ Votomatic, các vị trí để đục lỗ là các số. Trên thẻ chỉ đƣợc in thông tin số lƣợng các lỗ. Danh sách các ứng cử viên và hƣớng dẫn đục lỗ in trong tập riêng biệt. Với thẻ Datavote, tên của các ứng cử viên đƣợc in trên lá phiếu, bên cạnh vị trí các lỗ đƣợc đục. Hệ thống Votomatic đã rất thành công. Đến năm 1996, một số biến thể của hệ thống đục lỗ thẻ đã đƣợc cử tri đăng kí sử dụng tại Hoa Kì. Tuy nhiên đây cũng là hình thức bỏ phiếu đã gây nhiều tranh cãi trong việc kiểm phiếu của cuộc bầu cử tổng thống Mỹ năm 2000 tại Florida. Do hậu quả của trƣờng hợp này, các thiết bị đục lỗ thẻ cũng dần bị loại bỏ. 1.1.2. Hệ thống quét quang học Hệ thống quét quang học (marksense) là thiết bị quang học kết hợp phần cứng và phần mềm máy tính chuyên dụng. Các thiết bị phần cứng chụp ảnh và phần mềm chuyển đổi hình ảnh vào máy. Cử tri sử dụng một máy chuyên dụng tại các trạm để 3 đọc đƣợc lá phiếu cho thẻ bỏ phiếu của mình, và tên của ứng cử viên đƣợc in trên thẻ đó. Cạnh mỗi ứng cử viên, các biểu tƣợng đƣợc in ra chẳng hạn một hình chữ nhật, hình tròn hoặc mũi tên không đầy đủ. Cử tri lựa chọn ứng cử viên nào thì đánh dấu trực tiếp vào các hình chữ nhật hoặc hình tròn thích hợp hoặc hoàn thành các mũi tên trên lá phiếu. Sau khi bỏ phiếu cử tri có thể quét trực tiếp thẻ của mình vào hệ thống máy tính tại các điểm bỏ phiếu hoặc đƣa thẻ vào các thùng phiếu. Các thiết bị máy tính sẽ tổng hợp kết quả và lƣu lại thông tin cá nhân của cử tri vào cơ sở dữ liệu. 1.1.3. Thiết bị điện tử ghi nhận trực tiếp (DRE – Direct-recording Electronic) Vào cuối những năm 1990, công nghệ máy tính ngày càng tinh vi hơn. Nó dẫn đến sự phát triển gần đây nhất trong lịch sử hệ thống bầu cử, đó chính là thiết bị điện tử ghi nhận trực tiếp - DRE. Hệ thống DRE ngày càng đƣợc mở rộng hơn, tại Hoa Kì và các nƣớc khác tỉ lệ cử tri sử dụng các thiết bị DRE để bỏ phiếu ngày càng tăng. Với hệ thống này, cử tri đƣa lá phiếu của họ trực tiếp vào một thiết bị điện tử. Trong thiết bị đó có màn hình cảm ứng đƣợc vi tính hóa giống máy ATM trong ngân hàng. Trƣờng hợp cho phép cử tri ghi nhận lựa chọn trên các lá phiếu, hệ thống cung cấp một bàn phím chữ cái để cử tri có thể đổi sang ghi trên lá phiếu. Với hệ thống DRE cử tri không cần bỏ phiếu giấy. Dữ liệu bầu cử đƣợc lƣu trữ trên các thiết bị điện tử, trên thẻ thông minh hoặc ổ cứng máy tính, mục đích của việc này để sao lƣu và xác nhận kết quả. Sau khi bỏ phiếu, cử tri đặt thẻ thông minh trong một thùng phiếu. Thẻ thông minh đƣợc sử dụng nhƣ một thẻ dự phòng khi bản ghi trên các đĩa cứng bị lỗi, hoặc nhƣ một cách để kiểm tra các dữ liệu đƣợc ghi trên đĩa cứng. Khi cuộc bầu cử kết thúc, dữ liệu từ các điểm bỏ phiếu đƣợc tổng hợp lại trên một máy tính trung tâm để tính toán tổng số phiếu bầu. Kể từ những năm 1990, điện thoại cũng đƣợc sử dụng nhƣ một loại hệ thống bầu cử DRE. Hệ thống DRE có thể in ra lá phiếu giấy để cử tri xác nhận trƣớc khi họ bỏ phiếu. 1.1.4. Bỏ phiếu điện tử Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của Internet và World Wide Web khiến các nhà chức trách nghiên cứu và tận dụng nguồn lực mới này để nâng cao hiệu quả và tính hợp pháp của cuộc bầu cử. Hệ thống bỏ phiếu điện tử cho phép cử tri tham gia dễ dàng bằng cách đăng nhập tài khoản của họ trên trang web, sau đó kiểm tra định danh cử tri. Từ đó nâng cao tính hợp pháp của kết quả tổng thể đƣợc cải thiện đáng kể. Ngoài ra, bỏ phiếu điện tử cho phép tiết kiệm chi phí về vật chất trong việc triển khai và hoạt động của các trạm bỏ phiếu. Estonia là nƣớc đầu tiên trên thế giới giới thiệu hệ thống bầu cử điện tử vào năm 2005, tuy nhiên hệ thống này còn nhiều hạn chế nghiêm trọng. Hệ thống bỏ phiếu Estonia là một bài học lớn cho các nƣớc khác xem xét áp dụng hệ thống nhƣ vậy, và cho cả cộng đồng nghiên cứu bảo mật thông tin. 4 1.2. Hệ thống bầu cử điện tử Estonia 1.2.1. Giới thiệu Mộ số quốc gia đã thử nghiệm với bầu cử điện tử, nhƣng không một quốc gia nào có mức độ và quy mô lớn nhƣ Estonia. Bỏ phiếu điện tử ở Estonia đã đƣợc giới thiệu lần đầu trong cuộc bầu cử địa phƣơng năm 2005, khi hơn 9.000 cử tri bầu cử thông qua Internet (tƣơng ứng với khoảng 2% số cử tri tham gia). Ngày nay, bỏ phiếu điện tử đã đƣợc thực hiện bảy lần ở Estonia: trong các cuộc bầu cử địa phƣơng vào tháng Mƣời năm 2005, các cuộc bầu cử quốc hội tháng ba năm 2007, các cuộc bầu cử Nghị viện châu Âu trong tháng 6 năm 2009 và tháng 5 năm 2014, các cuộc bầu cử địa phƣơng vào tháng Mƣời năm 2009, các cuộc bầu cử quốc hội tháng 3 2011 và cuộc bầu cử địa phƣơng vào tháng Mƣời năm 2013. Tính đến năm 2013, mã nguồn của phần mềm bầu cử điện tử đã đƣợc công bố tại https://github.com/vvk-ehk/evalimine. Tuy nhiên, hệ thống này còn gây nhiều tranh cãi. An ninh hệ thống đã đƣợc các nhà nghiên cứu đặt ra hàng loạt các câu hỏi, sự minh bạch không đầy đủ để các quan sát viên bên ngoài thiết lập đƣợc sự toàn vẹn của kết quả. Hiện nay bầu cử điện tử vẫn chỉ là phần phụ, nó chƣa thể thay thế các phƣơng pháp bầu cử truyền thống. Mục đích ở đây là để cung cấp cho cử tri có thể lựa chọn vị trí bỏ phiếu của họ (tại nhà hoặc văn phòng) mà không cần phải đi đến trạm bỏ phiếu. Do đó bỏ phiếu từ xa đƣợc sử dụng. Bỏ phiếu điện tử diễn ra trong các cuộc thăm dò trƣớc (từ mƣời đến bốn ngày trƣớc ngày bầu cử) và Chính phủ đã ban hành chứng minh thƣ điện tử, nó đƣợc sử dụng để xác nhận cử tri. 1.2.2. Cơ sở hệ thống Trong cuộc bầu cử năm 2013, bầu cử điện tử diễn ra trong bảy ngày, từ 10-16/10, và chính thức là ngày 20/10. Theo số liệu đƣợc công bố thì 133808 phiếu bầu đƣợc bỏ trực tuyến, tƣơng ứng với 21,2% số cử tri tham gia [11]. 1.2.2.1. Chứng minh thư điện tử Chứng minh thƣ điện tử (thẻ ID) của cử tri Estonia là thẻ thông minh với chức năng mã hóa. Với việc sử dụng đầu đọc thẻ và phần mềm máy khách, Estonia đã có thể xác thực đến các trang web và tạo chữ ký ràng buộc pháp lý về tài liệu. Các thẻ đƣợc sử dụng phổ biến cho ngân hàng trực tuyến và truy cập vào các dịch vụ chính phủ điện tử. Trong hệ thống bầu cử điện tử, cử tri sử dụng thẻ của mình để xác thực đến máy chủ và ký phiếu của họ. Mỗi thẻ chứa hai cặp khóa RSA, một để xác thực và một để làm chữ ký số. Thẻ không cho phép tạo ra các khóa riêng, vì vậy tất cả các phép mã hóa đƣợc thực hiện trong nội bộ. Để tăng tính an toàn mỗi khóa đƣợc gắn với một mã PIN. Estonia cũng có thể sử dụng điện thoại di động với thẻ SIM đặc biệt để thẩm định và ký kết thông qua một hệ thống Mobile-ID. Trong cuộc bầu cử năm 2013, 9% phiếu bầu trực tuyến đã đƣợc bỏ bằng phƣơng pháp này. 5 Hình 1.1. Chứng minh thƣ điện tử ở Estonia 1.2.2.2. Cơ sở hạ tầng máy tính phục vụ bầu cử điện tử Phần lớn mã nguồn máy chủ của hệ thống bỏ phiếu điện tử đƣợc công bố trên một kho GitHub từ 2-3 tuần trƣớc khi diễn ra cuộc bầu cử. Các cơ sở hạ tầng máy chủ đƣợc cấu hình công khai một tuần trƣớc khi cuộc bầu cử và bao gồm bốn máy: Máy chủ chuyển tiếp lá phiếu (Vote Forwarding Server - VFS / HES): VFS (hoặc HES) là các máy chủ duy nhất có thể truy cập công khai. Nó chấp nhận các kết nối HTTPS từ các phần mềm máy khách, xác minh đủ điều kiện tham gia bỏ phiếu và nhƣ một máy trung gian để các máy chủ lƣu trữ lá phiếu trong kì cuối của giai đoạn bỏ phiếu. Máy chủ lƣu trữ lá phiếu (Vote Storage Server - VSS / HTS): Các VSS là một máy chủ phụ trợ mà cơ quan chức năng đã ký kết, các lá phiếu đƣợc mã hóa trong khoảng thời gian bình chọn trực tuyến. Khi nhận đƣợc một phiếu bầu từ các VFS, nó xác nhận phiếu bầu có đƣợc định dạng chính xác không và xác minh chữ ký số của cử tri bằng cách sử dụng một thêm máy chủ OCSP. Máy chủ nhật kí (Log server): máy chủ này chỉ đƣợc đăng nhập nội bộ, và nó có trách nhiệm thu thập các sự kiện và số liệu thống kê từ các VFS và VSS. Các mã nguồn và thiết kế không đƣợc công khai, nó có thể đƣợc truy cập từ xa bởi các nhân viên bầu cử.l Máy kiểm phiếu (VCS / HLR - Vote Counting Server): Các VCS tuyệt đối không đƣợc kết nối với mạng Internet và nó chỉ đƣợc sử dụng trong giai đoạn cuối cùng của cuộc bầu cử. Các nhà chức trách sử dụng một đĩa DVD để sao chép các lá phiếu đã đƣợc mã hóa (không chứa chữ ký của cử tri) từ VSS. Các VCS đƣợc gắn vào một mô-đun bảo mật phần cứng (HSM) có chứa khóa riêng bầu cử. Nó sử dụng HSM để giải mã phiếu, đếm chúng và đƣa ra kết quả chính thức cuối cùng. 6 1.2.2.3. Tiến trình bầu cử Hình dƣới đây cho một cái nhìn tổng quan về sự tƣơng tác giữa các thành phần hệ thống bỏ phiếu điện tử: Hình 1.2. Hệ thống bầu cử điện tử Estonia Giai đoạn 1: Bỏ phiếu Lúc bắt đầu của mỗi cuộc bầu cử, nhà chức trách công bố một tập hợp các ứng dụng khách để bỏ phiếu cho các hệ điều hành Windows, Linux, và Mac OS. Nó đƣợc tùy biến cho mỗi cuộc bầu cử và bao gồm một khóa công khai cho việc mã hóa các lá phiếu bình chọn và một chứng chỉ TLS cho các máy chủ. Các cử tri bắt đầu bằng cách khởi chạy các ứng dụng khách và chèn thẻ ID của họ. Sau đó nhập mã PIN kết hợp với khóa xác thực của mình, đƣợc sử dụng để thiết lập kết nối giữa client và xác thực TLS đến VFS. Bên sever xác nhận các điều kiện của cử tri dựa trên khóa công khai của mình và trả về danh sách C các ứng cử viên cho cử tri. Các cử tri lựa chọn ứng cử viên và nhập mã PIN. Bên Client mã hóa lá phiếu, và kí lên lá phiếu mã hóa bằng khóa riêng của cử tri. Sau đó chữ kí và lá phiếu mã hóa đƣợc gửi đến sever. Sau đó bên client sẽ hiển thị một mã QR để xác thực lựa chọn của cử tri. Ở đây các cử tri đƣợc phép bỏ phiếu nhiều lần trong thời 7 gian bầu cử trực tuyến, hệ thống chỉ đếm lần bỏ phiếu cuối cùng của cử tri. Tất cả các phiếu trƣớc đó bị thu hồi và giữ lại trên máy chủ lƣu trữ, và nó không hiển thị số lần cử tri bỏ phiếu. Giai đoạn 2: Xác thực Các cử tri có thể xác minh lá phiếu của mình đã đƣợc ghi nhận bằng cách sử dụng một ứng dụng điện thoại thông minh đƣợc cung cấp bởi các cơ quan bầu cử nhƣ hình dƣới đây: Hình 1.3. Cử tri sử dụng điện thoại thông minh quét mã xác thực QR Các máy chủ cho phép xác minh lên đến ba lần mỗi lá phiếu và lên đến 30 phút sau khi bỏ phiếu. Giai đoạn 3: Kiểm phiếu Sau khi bỏ phiếu trực tuyến kết thúc, các máy chủ lƣu trữ sẽ xử lý phiếu mã hóa để xác minh chữ ký và loại bỏ bất kỳ phiếu nào không hợp lệ. Trong một phiên làm việc để đếm công khai các lá phiếu, cơ quan bầu cử đƣa ra các bộ phiếu hợp lệ sau khi tƣớc bỏ chữ ký, để lại phiếu đã đƣợc mã hóa ẩn danh. Chúng đƣợc ghi ra DVD và đƣợc chuyển đến máy vật lý riêng biệt, trong đó giải mã và đếm chúng. Hình 1.4. Kết quả bầu cử Cơ quan bầu cử xuất tổng các lá phiếu bằng cách đƣa chúng vào một đĩa DVD. Những kết quả này đƣợc kết hợp với các phiếu ở các điểm bỏ phiếu và đƣợc công bố nhƣ là kết quả tổng thể của cuộc bầu cử. 1.2.3. Đánh giá an ninh hệ thống Trong cuộc bầu cử tháng 10 năm 2013, các nhà nghiên cứu thuộc đại học Michigan – Mỹ đã trực tiếp quan sát cuộc bầu cử và chứng kiến các hoạt động của cơ 8 sở hạ tầng máy tính phục vụ bỏ phiếu [11]. Bên cạnh đó, họ phân tích các yếu tố đƣợc công bố từ cuộc bầu cử: mã nguồn máy chủ, các văn bản về quy trình bầu cử và video dài gần 20h ghi lại quá trình bầu cử. Từ đó, họ đƣa ra một loạt các vấn đề liên quan đến an ninh hệ thống: Mô hình hệ thống đã lỗi thời, thủ tục kiểm soát kém, nhiều sai sót trong công tác an ninh và thiếu sự minh bạch. Mô hình đã lỗi thời: Hệ thống Estonia sử dụng một kiến trúc an ninh có thể là an toàn khi hệ thống giới thiệu một thập kỷ trƣớc đây, nhƣng bây giờ nó rất nguy hiểm và lỗi thời. Hệ thống của Estonia hoàn toàn tin tƣởng vào các máy chủ và máy tính bầu cử của cử tri - tất cả điều này trở thành mục tiêu dễ dàng cho các cuộc tấn công. Có nhiều sai sót trong hoạt động an ninh và quy trình thực hiện: Qua việc quan sát trực tiếp và qua các video đƣợc công bố, các nhà nghiên cứu khẳng định các nhân viên bầu cử đã không làm việc đúng theo quy chế trong các ngày diễn ra bầu cử và trong việc xử lý các sự cố xảy ra. Ví dụ: Các nhân viên bầu cử tải phần mềm ứng dụng để sử dụng trong cuộc bầu cử qua một trang web công cộng có kết nối HTTP không an toàn. Trong trƣờng hợp khác, các nhân viên vô tình gõ mật khẩu và mã PIN thẻ ID trƣớc tầm nhìn của camera. Và điểm yếu an ninh đáng báo động nhất trong việc thiết lập trƣớc cuộc bầu cử là nhân viên sử dụng một máy tính cá nhân không an toàn để chuẩn bị thiết lập ứng dụng để bầu cử cho cử tri. Lỗ hổng nghiêm trọng: Các nhà nghiên cứu sử dụng mã nguồn công bố và phần mềm ứng dụng trên máy khách để mô phỏng lại hệ thống bầu cử. Họ đã phát hiện ra rằng hệ thống bỏ phiếu của Estonia dễ bị phá hoại bởi một loạt các cuộc tấn công mà không bị phát hiện, nó có thể làm thay đổi kết quả bầu cử. Thiếu minh bạch: Mặc dù đã đƣa ra mã nguồn mở hệ thống và đƣa ra các video ghi lại các bƣớc cấu hình thiết lập hệ thống nhƣng Estonia đã thất bại trong việc cung cấp bằng chứng để thuyết phục rằng kết quả bầu cử là chính xác. 1.2.4. Nhận xét về hệ thống bầu cử ở Estonia Một điểm mạnh của hệ thống bầu cử điện tử là cơ sở hạ tầng chứng minh thƣ điện tử của Estonia và các thiết bị mã hóa mà nƣớc này cung cấp. Mặc dù các thẻ thông minh đó không thể ngăn chặn tất cả các cuộc tấn công nhƣng chúng có thể gây khó khăn đáng kể cho những ý đồ không trung thực. Các thẻ này cũng cung cấp một giải pháp tốt để xác thực cử tri từ xa, thêm vào đó Ủy ban bầu cử đã sẵn sàng các công khai mã nguồn, điều này hƣớng đến sự minh bạch cần thiết. Ủy ban Bầu cử điện tử đã lỗ lực cố gắng rất nhiều để cải thiện hệ thống bầu cử của họ. Kể từ khi thành lập vào năm 2005, hệ thống này đã trải qua những thay đổi đáng kể, tăng cƣờng khả năng pháp lý và giám sát, bổ sung các ứng dụng xác minh, hệ thống bầu cử điện tử đã dần hoàn thiện hơn. Tuy nhiên ngay cả những điều này và một 9