Как устроена федеральная система дистанционного электронного голосования в России

В 2019 году к нам обратился «Ростелеком» с запросом о создании федеральной системы дистанционного электронного голосования (ДЭГ) на основе блокчейна. По сравнению с обычным голосованием ДЭГ на блокчейне явно дешевле и быстрее для подсчета голосов; оно также может обеспечить большую явку. Но при этом для большинства людей блокчейн-голосование — это черный ящик, а в голосованиях такого уровня ящик все-таки должен быть прозрачным. О том, как мы добились этого и выполнили другие требования заказчика, я расскажу далее в посте.

Требования к системе ДЭГ формировала Центральная избирательная комиссия. Вот их исходный список на 2019 год.

• Запуск более 1000 голосований одновременно. Забегая вперед, скажу, что в 2021 году, пока что самом нагруженном для системы, мы одновременно запустили около 1700 голосований.

• Обработка 10 млн голосов за 12 часов, то есть примерно 230 tps (транзакций в секунду). Впоследствии минимально допустимая скорость выросла в два раза, поскольку, на каждый голос пришлось отправлять дополнительную транзакцию — подтверждающую факт выдачи слепой подписи, то есть выдачи бюллетеня.

• Гарантированный учет всех голосов.

• Защита тайны голосования.

• Защита промежуточных результатов голосования.

• Защита итогов голосования.

• Возможность проверки того, как все эти требования соблюдены.

К началу проекта у нас уже был готовый криптографический протокол и собственная блокчейн-платформа Waves Enterprise. Через смарт-контракты в ней можно было сразу развернуть всю необходимую логику и защитить данные в соответствии с требованиями. Но есть нюансы.

• Производительность (пропускная способность). Мы всегда уделяли ей внимание, но к 500 tps с ходу на смарт-контрактах были не готовы.

• Гарантия исполнения транзакций. По умолчанию блокчейн очень старается исполнять все транзакции, но не гарантирует этого — принцип best effort basis. Для голосования так не пойдет, нужны железные гарантии. 

Далее я в общем виде опишу, как работает наша блокчейн платформа WE.Vote для дистанционных голосований, а затем то, как мы ее изменили для ДЭГ, чтобы соответствовать требованиям ЦИК.

Исходная архитектура WE.Vote

Нижний слой системы — это блокчейн-сеть, которая работает как распределенная база для голосов с возможностью прозрачного транспорта для открытых данных голосования (зашифрованных бюллетеней, а также маркеров и параметров, которые позволяют доказать, что голосование идет честно). На этом уровне работают смарт-контракты, которые автоматизируют процессы голосования и обработки голосов.

Над блокчейн-сетью — уровень криптографических сервисов, которые отвечают за распределенную генерацию ключа для шифрования бюллетеней. Дешифрование результатов происходит здесь же. Криптографические сервисы не общаются друг с другом напрямую, они взаимодействуют только через отправку данных в блокчейне, что повышает прозрачность системы. На этом уровне реализована защита от фильтрации голосов и защита тайны голосования. Распределенная архитектура позволяет также сузить поверхность атаки на главный ключ.

Третьим идет классический клиент-серверный слой — веб-интерфейсы администратора и участника голосования, а также некоторые вспомогательные сервисы. Администратор управляет запуском/остановкой голосований через взаимодействие с криптосервисами. Участник отправляет бюллетень напрямую в ноду.

Изменения для федерального ДЭГ

Исходная архитектура нашей платформы голосования соответствовала требованиям ЦИК частично. Вот что мы сделали, чтобы закрыть оставшиеся вопросы.

В нашей платформе создание ключа голосования полностью автоматизировано. В ЦИК нас попросили сделать его более наглядным — чтобы члены избирательных комиссий несли ответственность за запуск и проведение голосований, создавая таким образом дополнительный барьер для злоумышленников.

В рамках федерального ДЭГ создание ключей частично вынесено в офлайн. У избирательной комиссии есть ноутбук со специальной утилитой, которая создает ключ. Затем по схеме разделения секрета Шамира ключ разбивают на несколько частей и на съемных носителях раздают членам комиссии. После завершения голосования ключ снова собирают. Имея ключ системы и собранный ключ комиссии, можно расшифровать итоги голосования. Благодаря распределенному хранению, злоумышленник не сможет манипулировать ключами, даже попав в контур голосования.

Следующий шаг — интеграция с компонентами, разработанными «Ростелекомом». Здесь мы поставили очередь сообщений на поток управления голосованиями. В этой части системы нет ни особых нагрузок, ни секретных данных, сделано это только для упрощения интеграции.

Интересным получился пайплайн обработки голосов. Он состоит из двух частей. Первая — это зона ЕСИА, где избиратель авторизуется и отправляет заявку на участие в ДЭГ. На этом этапе система проверяет, есть ли у избирателя право на участие в ДЭГ и вычеркнут ли он из списков офлайн-голосования.

Когда эти проверки пройдены, избиратель у себя на устройстве создает пару ключей, «маскирует» открытый ключ и запрашивает подпись такого «замаскированного ключа». Сервис, который выдает подпись, не знает, что именно он подписывает, поэтому подпись «слепая». Ее нельзя сопоставить с открытым ключом, от имени которого пользователь отправляем голос, а значит, личность избирателя тоже установить нельзя. Все, что может сделать система — убедиться, что слепая подпись, приложенная к транзакции, корректна, и по этому «пропуску» пустить пользователя дальше.

Вторая часть пайплайна — это анонимная зона, где избиратель отправляет транзакцию с голосом. Электронная урна добавляет транзакцию в очередь Kafka. Адаптер слушает очередь и отправляет транзакции оттуда в нашу часть системы, которую я описывал выше, а затем проверяет, что голос был успешно принят блокчейном.

Со стороны блокчейна параллельно этому адаптеру работает еще один, исходящий адаптер — очередь обратной связи. Он считывает все, что было получено в блокчейне, и сообщает об этом заинтересованным сервисам — в том числе первому адаптеру, вне блокчейна. Эта информация поступает также и на портал наблюдателя, где можно получать информацию о принятых голосах одновременно с основной системой.

В зависимости от предполагаемой нагрузки на дистанционное голосование, эта архитектура каждый год реплицируется на несколько ЦОД. Теперь — о том, как мы работали с «нюансами», отмеченными в начале поста.

Оптимизация пропускной способности

Пропускная способность — одна из основных и самых интересных метрик в блокчейне. Маркетологи любят заявлять о десятках тысяч транзакций в секунду, но обычно в таких замерах смысла нет, поскольку они проводятся на минимальных по объему транзакциях проверки подписей, которые не несут никакой прикладной логики. Тесты, которые проводят инженеры на нормальных транзакциях, дают гораздо меньше транзакций в секунду, и от конкретных сценариев здесь зависит очень многое — единой методики замеров пока не существует. 

К началу проекта ДЭГ собственная платформа, мейннет Waves Enterprise, обеспечивал всего 10–20 транзакций в секунду. Предстояла большая работа, и мы начали исследование. 

Число транзакций в секунду обратно пропорционально размеру транзакции. На размер транзакции мы повлиять не можем, так как бюллетени предоставляет заказчик. Поэтому мы взяли за стандарт бюллетень с выбором одной партии из восьми и сосредоточились на оптимизации. Перевели транзакции в бинарный вид, научили ноды сериализовывать Protobuf и перекодировали криптографические константы в HEX. Ноды получили дополнительную нагрузку в связи с введением сериализации/десериализации, но в итоге пропускная способность выросла примерно в 10 раз.

Затем мы начали разбирать ноду блокчейна. Она состоит из модулей, которые выполняют различные функции — это сетевые интерфейсы, модули для криптоопераций, запуска и исполнения смарт-контрактов, обработки внешних запросов и не только. При глубокой автоматизации их надо рассматривать независимо. Мы стали изучать, какой компонент тормозит больше всего, и неожиданно обнаружили, что нода не умеет работать со смарт-контрактами в параллельном режиме — пришлось ее этому научить. Это дало хороший прирост производительности.

Затем мы изучили возможность специализации для нод, выход за пределы одноранговой сети, когда каждая нода имеет отдельную функцию. Здесь потенциала для роста производительности не обнаружили — сеть осталась одноранговой.

Попробовали подойти к вопросу через железо. Проводили тесты на мощнейших стендах в лаборатории Intel, занимались профилированием ПО с Intel Vtune. В итоге на самых мощных стендах добивались 500–600 tps. В целом влияние процессора и памяти оказалось не таким значительным, как мы предполагали, так что развивать эту тему мы не стали. Однако с помощью инструментов профилирования мы также нашли пару багов, и после фикса ноды стали работать быстрее.

Еще один простой путь ускорения блокчейна — кластеризация. Разбивая систему, мы кратно увеличиваем ее пропускную способность. Данные, которые мы отправляем в разные шарды, не должны быть связаны между собой, чтобы их можно было обрабатывать независимо. Таким образом мы тоже получили хороший буст, но для целей голосования 2021 и 2022 года это не потребовалось — мы выходили на нужную производительность и без шардинга. Оставим этот способ на будущее, для возможного масштабирования системы.

Гарантированная доставка

Я писал выше, что блокчейн сам по себе не гарантирует, что все транзакции будут проведены. Нашим спасением здесь стала Kafka, с помощью которой мы создали очередь на обработку голосов. Другой сценарий для Kafka здесь — убежище при перезагрузке системы для данных, которые нода не приняла в блокчейн. По умолчанию данные хранятся только в оперативной памяти ноды и при перезагрузке уничтожаются. В этой роли Kafka, к счастью, нам не пригодилась, но перестраховаться стоило. Третий сценарий Kafka — это троттлинг нагрузки для пиковых часов. 40–50% избирателей приходят голосовать в первые часы работы ДЭГ, и Kafka позволяет эту нагрузку сглаживать.

Также ДЭГ стала первым проектом, где мы развернули свою версию CFT-консенсуса, который не приводит к роллбэкам. Когда мы начинали с PoS, роллбэки усложняли взаимодействие компонентов и нам приходилось объяснять, что это не мы выкинули голоса из системы, а потом что-то обратно записали, а это технологическая особенность. Если интересно узнать о нашем CFT-консенсусе подробнее, напишите в комментариях.

На самом масштабном голосовании на данный момент, в 2021 году, мы не потеряли ни одну из 1,5 млн транзакций. Но один голосов пришлось все-таки отклонить — он не прошел проверку ZKP.

Мониторинг всей системы ДЭГ

Весь фронтенд системы, как я уже писал, был в зоне ответственности «Ростелекома». Нам осталось протестировать только бэкенд — по сути, большую трубу, на выходе которой должно получиться столько же голосов, сколько и на входе.

Для тестов мы разработали утилиту нагрузки; она умела создавать голосования пачками и прожигать систему как следует. На каждом участке мы повесили счетчики транзакций и стали ждать ошибок майнинга и валидации.

Grafana прекрасно подходит для таких целей. Если у нас увеличивается число голосов со статусом pending — «было отправлено на ноду, но не обработано» — мы понимаем, что нода не справляется и есть какие-то проблемы. Аналогично мы можем отслеживать и другие этапы. Grafana может мониторить и Kafka: сколько голосов через нее было отправлено, какой лаг вычитки.

Помимо подсчета голосов, мы должны распределить ресурсы по компонентам «трубы» так, чтобы не возникало ботлнеков. Поэтому у каждого компонента предусмотрен мониторинг ресурсов. Удивительно, но инструмент мониторинга местами сам требовал больше ресурсов, чем отдельные компоненты системы, обрабатывающие голоса. Так что счетчики мы повесили и на мониторинг. 

Мониторинг блокчейн-сети 

Через Grafana мы развернули мониторинг майнинга. Если высота блокчейна на графике равномерно растет, значит, ноды майнят и все работает как надо:

Если ноды обрабатывают блоки неравномерно, то сеть начинает разъезжаться и надо принимать меры:

Здесь мы столкнулись только с одним интересным эпизодом, на тестовом прогоне. На скорости 200 tps безопасники по ошибке отключили доступ по сети. После восстановления и перезапуска метода отправки все ноды в течение 5–10 минут собрались, синхронизировались и обработали все транзакции из UTX-пула — а их накопилось около полутора тысяч. В итоге не потеряли ни одной.

Тестировали мы в двух профилях нагрузки. В первом, пиковом, утилита пыталась пропихнуть определенное число бюллетеней в максимально короткий срок, что имитирует наплыв участников в первые часы голосования. И таким образом мы можем заранее сгенерировать и зашифровать необходимое число бюллетеней.

Во втором режиме предусмотрена длительная нагрузка, когда голоса генерируются и отправляются в обработку постоянно. Так мы можем тестировать вторую метрику — живучесть системы при наполнении баз голосами и пользователями. Эти тесты мы проводили на слабых стендах, в результате чего поймали несколько деградирующих процессов, когда запросы к БД начинали выполняться слишком долго и приводили к остановке.

Если говорить о боевых метриках, то в этом году пропускная способность на проекте ДЭГ не поднималась выше 16 tps — голосование было менее масштабным по сравнению с прошлым годом, когда показатели доходили до 120 tps. И у нас всегда имелся большой запас по производительности. 

Прозрачность системы

Напоследок — о том, что легко упустить в процессе разработки. Обычно, если для задачи заказчика у нас есть работающее решение, то дело в шляпе. Но в проекте национальных выборов очень важно, чтобы решение было еще и прозрачным. В этом направлении мы ведем активную работу.

В прошлом году за нашей системой ДЭГ следили всего пять наблюдателей, а в этом их их стало уже 109. Для них мы разработали портал наблюдателя, который подключен к очереди обратной связи и получает данные одновременно с остальными компонентами системы. Выгрузки с этого портала наблюдатели могли загружать в дополнительно разработанную нами open-source утилиту. Сравнивая данные, прозрачно обработанные этой утилитой, и данные блокчейна голосования, наблюдатели могли убедиться, что всё обрабатывается одинаково.

Кроме того, к системе были подключены ноды в режиме наблюдателей. Они не обрабатывают транзакции и не синхронизируют UTX, а просто получают данные из блокчейна и применяют их к стейту. Наблюдатели могли подключить к таким нодам свои инструменты мониторинга, сравнить их с общедоступными данными и убедиться, что все совпадает.

Выводы

На основе проекта федеральной системы ДЭГ можно сделать несколько выводов с точки зрения технологии.

• Производительность блокчейна — это не то, что заявляет маркетинг, а то, что выявляется при крупном промышленном внедрении. Это стоит учитывать в реальных проектах.

• Блокчейн — это не самая удобная технология, но при правильной обвязке и внедрении на ее основе можно строить масштабные системы, не теряя уникальные преимущества.

• Эффективность блокчейна зависит от его места в общей архитектуре. Он обеспечивает прозрачность, но производительность его ограничена. Поэтому есть смысл фиксировать в блокчейне только ключевые точки бизнес-процессов. Здесь важно уметь положить сквозной процесс на блокчейн, но при этом не положить сам блокчейн.

Для дальнейшего погружения советую свой предыдущий пост о том, как работает дистанционное голосование на блокчейне. Также в сети выходили отчеты независимых наблюдателей о нашей с «Ростелекомом» системе по итогам голосования 2021 и 2022 гг. На Youtube можно посмотреть видеоверсию этого поста.