Bachelor's Thesis

Scalability of Decentralized E-Voting on Privacy-Preserving Blockchains

Final Thesis 1.24 MB

Author of thesis: Bc. Martin Kmeť

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Ivan Homoliak, Ph.D.

Reviewer: Ing. Zdeněk Lapeš

Abstract:

Thesis investigates the scalability of decentralized e-voting on privacy-preserving blockchains through the design, implementation, and benchmarking of an e-voting protocol across three platforms: Oasis Sapphire (Intel SGX/TEE), Secret Network (Intel SGX/TEE), and Aztec Network (ZK-SNARKs). The protocol covers three phases: voter registration, vote casting and tallying. Protocol benchmarked across voter counts from 10 to 10 000. Oasis Sapphire achieves the highest throughput at 1 063 - 1 464 transactions per minute (TPM), approximately 90 - 120× faster than Secret Network, which is constrained to 9.6 - 11.9 TPM by its sequential, one-transaction-per-block execution model. Aztec Network reaches 11.6 TPM on the local sandbox, bottlenecked by client-side ZK proof generation (≈5.2 s per vote), though its architecture supports parallel proving in real deployments. TEE-based platforms provide ballot secrecy under a hardware trust assumption, while Aztec’s ZKP approach enables stronger public verifiability at the cost of significantly higher proving overhead.

Keywords:

Blockchain, electronic voting, e-voting, privacy, scalability, smart contracts, trusted hardware, zero-knowledge cryptography

Date of defence

18.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student nejprve prezentoval výsledky, kterých dosáhl v rámci své práce. Komise se poté seznámila s hodnocením vedoucího a posudkem oponenta práce. Student následně odpověděl na otázky oponenta. Komise se na základě posudku oponenta, hodnocení vedoucího, přednesené prezentace a odpovědí studenta na položené otázky rozhodla práci hodnotit stupněm B.

Topics for thesis defence

  1. Jaká omezení mají výsledky získané v lokálním nebo testovacím prostředí?
  2. Co by bylo nutné doplnit, aby byl protokol vhodnější pro reálné nasazení?

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Information Technology (BIT)

Composition of Committee

doc. Dr. Ing. Dušan Kolář (předseda)
doc. Ing. Vladimír Janoušek, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Radek Hranický, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Matoušek, Ph.D. (člen)
Ing. Zdeněk Materna, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Ivan Homoliak, Ph.D.

Prácu hodnotím ako kvalitnú bakalársku prácu s nadštandardným technickým rozsahom. Študent navrhol, implementoval a porovnal riešenia na viacerých privacy-preserving blockchainových platformách, pripravil merania škálovateľnosti a doplnil ich bezpečnostnou diskusiou. Celkovo prácu hodnotím stupňom B (veľmi dobre).

Evaluation criteria Verbal classification
Informace k zadání

Zadanie hodnotím ako nadpriemerne náročné, keďže vyžadovalo pochopenie blockchainov, smart kontraktov, techník ochrany súkromia, elektronického hlasovania a zároveň aj praktickú implementáciu a výkonnostné merania na viacerých platformách. Práca bola splnená vo všetkých podstatných bodoch, pričom študent implementoval riešenie na troch platformách, teda nad rámec minimálnej požiadavky. Menšie rezervy vidím najmä v obmedzeniach testnetových meraní a v tom, že navrhnutý protokol je zámerne jednoduchý, čo však zodpovedá rozsahu bakalárskej práce. 

Práce s literaturou

Študent pracoval s relevantnou odbornou literatúrou a dokumentáciou použitých platforiem. Teoretická časť primerane pokrýva blockchainy, smart kontrakty, elektronické hlasovanie, TEE a zero-knowledge techniky. Použité zdroje považujem za vhodné a dostatočné vzhľadom na charakter práce. 

Aktivita během řešení, konzultace, komunikace

Študent pracoval samostatne a preukázal schopnosť riešiť technicky náročné problémy naprieč viacerými technológiami. Konzultácie využíval účelne a na pripomienky reagoval. Oceňujem najmä samostatnosť pri implementácii, nasadzovaní a príprave benchmarkov.

Aktivita při dokončování

Práca bola dokončená včas a obsah bol v dostatočnej miere konzultovaný.

Publikační činnost, ocenění

Publikačná činnosť ani ocenenia mi nie sú známe.

Points proposed by supervisor: 85

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Zdeněk Lapeš

Práce řeší aktuální a technicky náročné téma. Student prokázal schopnost nastudovat relevantní technologie, navrhnout protokol, implementovat jej na více platformách a provést experimentální vyhodnocení. Kladně hodnotím zejména rozsah realizační části, multiplatformní implementaci a jednotnou benchmarkovací infrastrukturu. Přestože formální stránka práce a některé části experimentální metodiky by mohly být zpracovány pečlivěji, zadání bylo splněno a v implementační části vhodně rozšířeno. Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji stupněm velmi dobře, tedy B.

Evaluation criteria Verbal classification Points
Náročnost zadání

Evaluation level: obtížnější zadání

Zadání považuji za nadprůměrně náročné. Kombinuje teoretickou část, návrh protokolu, implementaci na více platformách a experimentální měření. Student se musel orientovat v blockchainových technologiích, smart kontraktech, elektronickém hlasování a mechanismech ochrany soukromí. Práce svým rozsahem i technickým zaměřením odpovídá obtížnějšímu bakalářskému zadání.

Prezentační úroveň technické zprávy

Práce je logicky členěná a pro čtenáře dobře sledovatelná, jednotlivé kapitoly na sebe přirozeně navazují a hlavní myšlenka je srozumitelná. Pozitivně hodnotím využití diagramů, tabulek a výpisů kódu, které usnadňují pochopení návrhu i implementace. Místy jsou však závěry formulovány výrazněji, než odpovídá experimentálním podmínkám, a bylo by vhodné důsledněji oddělit naměřená fakta od jejich interpretace.

85
Formální úprava technické zprávy

Formální zpracování je na dobré úrovni. Práce má přehlednou a standardní strukturu a obsahuje potřebné doprovodné prvky, jako jsou tabulky, obrázky a výpisy kódu. Grafická úprava je konzistentní a text je celkově dobře čitelný.

Jazyková stránka vykazuje drobné nedostatky. V textu se místy objevují překlepy, méně obratné formulace či dílčí gramatické nepřesnosti, jejich četnost však není vysoká a nijak nesnižuje celkovou kvalitu ani srozumitelnost práce.

80
Realizační výstup

Student navrhl a implementoval rozsáhlý multiplatformní prototyp decentralizovaného e-voting systému pro Oasis Sapphire, Secret Network a Aztec. Řešení zahrnuje chytré kontrakty ve třech odlišných technologiích, jednotnou benchmarkovací infrastrukturu, automatizované měření a experimentální výsledky z lokálních sítí, devnetů i vybraných veřejných testnetů. Oceňuji zejména technický rozsah práce, schopnost sjednotit velmi rozdílné platformy a praktické ověření klíčových vlastností protokolu, jako je registrace voličů, fázování voleb, prevence opakovaného hlasování a publikace výsledků. Implementace je doplněna přehlednou dokumentací a poskytuje kvalitní základ pro porovnání škálovatelnosti privacy-preserving blockchainových platforem. Drobná omezení experimentální části nemění celkově velmi dobrý dojem z rozsahu a provedení práce.

85
Využitelnost výsledků

Práce má experimentální a srovnávací charakter. Přináší implementaci jednotného e-voting protokolu na třech privacy-preserving blockchainových platformách a jejich výkonnostní porovnání. Výsledky poskytují užitečné poznatky o implementačních možnostech a limitech jednotlivých přístupů, především v oblasti TEE a ZKP. Pro reálné nasazení by však bylo nutné doplnit robustnější bezpečnostní a verifikační mechanismy.

Rozsah splnění požadavků zadání

Evaluation level: zadání splněno

Práce odpovídá zadaným bodům. Autor zpracoval potřebné teoretické základy, analyzoval více privacy-preserving platforem, navrhl zjednodušený protokol elektronického hlasování a doplnil jej o implementaci, měření i bezpečnostní diskusi. Pozitivně hodnotím zejména to, že implementační část jde nad rámec minimálního požadavku, protože protokol byl realizován na třech platformách namísto požadovaných alespoň dvou. Slabší stránkou je méně systematické vyhodnocení baseline řešení a některá omezení experimentálních měření, tyto nedostatky však nepovažuji za zásadní. Zadání bylo celkově splněno a v implementační části vhodně rozšířeno.

Rozsah technické zprávy

Evaluation level: je v obvyklém rozmezí

Technická zpráva je rozsáhlá a svým rozsahem odpovídá požadavkům na bakalářskou práci, čítá přibližně 66 stran textového jádra práce. Text je informačně bohatý a pokrývá teoretické základy, návrh protokolu, implementaci, experimentální měření i bezpečnostní diskusi.

Kladně hodnotím také využití diagramů, tabulek a výpisů kódu, které vhodně doplňují popis řešení. Rozsah práce považuji za přiměřený vzhledem k technické náročnosti tématu.

Práce s literaturou

Použitá literatura je relevantní k tématu práce a zahrnuje jak odborné zdroje, tak dokumentaci použitých platforem a nástrojů. To odpovídá technickému a implementačnímu charakteru práce.

Citace jsou používány přiměřeně a práce nevykazuje známky porušení citační etiky. V některých částech by bylo možné technická tvrzení podpořit větším množstvím zdrojů nebo podrobnější argumentací, celkově však literatura plní svůj účel a podporuje hlavní závěry práce.

78
Topics for thesis defence:
  1. Co by bylo nutné doplnit, aby byl protokol vhodnější pro reálné nasazení?
  2. Jaká omezení mají výsledky získané v lokálním nebo testovacím prostředí?
Points proposed by reviewer: 85

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová