Urna Eletrônica (UE2022)

Pesquisa realizada para o Trabalho 1 de Fundamentos de Sistemas Embarcados - 2024-2.

1. Principais Funções

A urna eletrônica é um dispositivo desenvolvido para automatizar o processo de votação no Brasil, proporcionando agilidade, segurança e eficiência na coleta e apuração dos votos durante as eleições. Sua criação é fruto de intensos estudos realizados pela Justiça Eleitoral com o objetivo de modernizar o sistema eleitoral brasileiro. Inicialmente chamada de Coletor Eletrônico de Voto (CEV), a urna foi implementada pela primeira vez nas eleições de 1996, após diversos testes bem-sucedidos realizados em Santa Catarina (“Urna eletrônica”, 2024).

1.1. Estrutura e funcionamento

A urna eletrônica funciona como um computador configurado com um design específico para receber e processar votos. Ela é composta por dois principais componentes:

Terminal do Eleitor:

• É a interface onde o eleitor realiza o registro de seu voto.
• Supervisiona o processo de inicialização.
• Processa os dados durante a votação.
• Adquire os votos e controla o encerramento do processo.

Microterminal (Terminal do Mesário):

• Utilizado pelos mesários para controlar a habilitação dos eleitores.
• Garante que apenas aqueles aptos possam votar.
• Monitora o ciclo de votação para assegurar sua regularidade.

É possível observar esses dois componentes na Figura 1 e a Figura 2 mostra e descreve alguns dos componentes auxiliares que fazem parte da urna.

Figura 1: Terminal do Eleitor e Terminal do Mesário. FONTE: “Tecnologia Eleitoral -Cotel”, [s.d.]

Figura 2: Componentes auxiliares da Urna. FONTE: “Tecnologia Eleitoral -Cotel”, [s.d.]

1.2. Importância da urna eletrônica

Instalada nas seções eleitorais, a urna eletrônica representa um marco na história das eleições brasileiras. Ela confere maior transparência, rapidez na apuração dos resultados e contribui significativamente para a consolidação da democracia no país.

2. Segmento no Mercado

Desde sua introdução em 1996, a urna eletrônica e o processo eletrônico de votação têm passado por melhorias constantes, refletindo um compromisso com a modernização, segurança e transparência das eleições brasileiras. Esse processo dinâmico de evolução busca incorporar novas tecnologias e fortalecer a confiança pública no sistema eleitoral (“Evoluções”, 2020).

2.1. Inovações mais recentes

2.1.1. Eleições de 2022

A mudança mais significativa ocorreu em 2022 com a introdução do modelo UE2020, que trouxe avanços tecnológicos importantes:

• Aumento na capacidade de processamento: a urna passou a ser 18 vezes mais potente que os modelos anteriores.
• Tela sensível ao toque no terminal do mesário: facilitando a operação do processo eleitoral.
• Segurança aprimorada: o hardware de segurança teve seu perímetro criptográfico certificado com base nos requisitos da Infraestrutura Pública de Chaves Criptográficas (ICPBrasil), aumentando a robustez contra possíveis ataques.

2.1.2. Medidas de transparência e segurança (2021)

Além das inovações tecnológicas no equipamento, o processo de segurança e transparência do sistema eleitoral também foi reforçado em 2021:

• Sexta edição do Teste Público de Segurança (TPS): um exercício periódico que permite especialistas testarem o sistema e proporem melhorias.
• Ampliação do prazo de abertura dos códigos-fonte: o prazo para análise passou de 6 para 12 meses antes das eleições, aumentando o período para inspeções técnicas por entidades e especialistas.
• Criação da Comissão de Transparência Eleitoral: formada para acompanhar e supervisionar as etapas do processo eleitoral, reforçando a confiança no sistema.
• Publicação de dados eleitorais:
  • Os Boletins de Urna (BUs) passaram a ser publicados assim que recebidos no TSE.
  • Foram disponibilizados na internet os arquivos de Registro Digital do Voto (RDV) e os logs das urnas eletrônicas de todo o país, promovendo ainda mais transparência.

2.2. Um sistema em constante evolução

A urna eletrônica não é apenas um marco tecnológico, mas também um exemplo de adaptação e aprimoramento contínuos. A cada eleição, melhorias são implementadas para garantir um processo eleitoral cada vez mais rápido, seguro e confiável, consolidando o papel da tecnologia como aliada da democracia no Brasil.

3. Informações Técnicas

3.1. Unidade de processamento

• Microprocessador principal: Intel® Atom™ E3940, 1.60 GHz, arquitetura x86.
• Outros processadores:
  • Teclado cifrado (MSTE): Plataforma ARM.
  • Impressora segura (MSIR): Plataforma ARM.
  • Módulo de Segurança Embarcado (MSE): Plataforma ARM.
  • Leitor biométrico cifrado (MSLB): Plataforma ARM.

3.2. Memória

• Memória interna: 4GB M2 SATA Soquetada
• Memória RAM: 4GB DDR3L

3.3. Sistema Operacional

Desde 2008, as urnas eletrônicas utilizam uma distribuição personalizada do sistema operacional Linux, chamada de Uenux, desenvolvida pelo TSE. O Uenux é otimizado para suportar apenas o hardware necessário para o funcionamento da urna, sem suporte a dispositivos como teclado, mouse ou rede, e executa somente aplicativos específicos para o processo eleitoral. O sistema inclui mecanismos de validação de assinatura digital, garantindo que apenas softwares devidamente assinados e autenticados sejam executados, assegurando a segurança e a integridade do sistema (“Detalhes técnicos das urnas eletrônicas 2020 e 2022”, 2020).

3.4. Sensores e Atuadores

3.4.1. Sensores

• Leitor biométrico: HID DP5360 com comunicação criptografada

3.4.2. Atuadores

• Impressora térmica com comunicação USB criptografada
• Luz de sinalização do leitor de digitais
• Display LCD 10,1" policromático

3.4.3. Conexão com a MCU/MPU

• Comunicação via USB criptografada e barramentos proprietários.

3.5. Interfaces de Comunicação com fio

• USB (para impressora e periféricos)
• Comunicação com dispositivos periféricos através de barramentos seguros

3.6. Interfaces de Comunicação sem fio

• Não especificado

3.7. Unidades de Entrada/Saída (I/O)

3.7.1. GPIO (General Purpose Input/Output)

No Terminal do Eleitor:

• Conector para cabo TM/TE
• Conector para cabo AC

No Terminal do Mesário:

• Conector para cabo TM/TE

3.7.2. ADC/DAC (Conversor Analógico-Digital e Digital-Analógico)

No Terminal do Eleitor:

• Entrada CC

3.7.3. PWM (Pulse Width Modulation)

No Terminal do Eleitor:

• Uma saida de audio para fone de ouvido

3.7.4. Outras interfaces

No Terminal do Eleitor:

• Duas saidas DC
• Duas portas USB 3.0 externa
• Uma porta USB 3.0 extra interna
• Uma saida de midia de aplicação
• Uma saida de midia de resultado

No Terminal do Mesário:

• Duas portas USB 3.0 externa

3.8. Fonte de Energia e Sistema de Alimentação

3.8.1. Tipos

• Bateria: Bateria de Li-ion Ferro-Fosfato 9Ah, garantindo autonomia durante o processo eleitoral.

3.8.2. Gerenciamento de Energia (PMIC)

• PMIC: Sistema inteligente que regula e distribui a energia, mantendo a estabilidade e eficiência da urna.

3.8.3. Backup de Energia

• Bateria Externa: Existe a possibilidade de ser conectada á uma bateria externa.

3.8.4. Circuitos de reset

• Reset: Circuitos que permitem a reinicialização do sistema para manter a estabilidade.

3.8.5. Supervisores de Energia

• Supervisores de Energia: A UE2022 inclui supervisores de energia integrados à bateria.

3.9. Firmware e Atualizações

3.9.1. Firmware

Os firmwares do MSD possuem alta segurança, gerando chaves criptográficas não-exportáveis com TRNG, permitindo atualizações seguras mediante assinatura e verificação para evitar partes não verificadas na memória. Eles importam chaves secretas de forma protegida para autenticar periféricos e estabelecer canais cifrados entre CPU e periféricos. Além disso, fornecem serviços criptográficos via API e armazenam em memória não regravável um identificador único para cada urna eletrônica, garantindo sua autenticidade (“Hardware da UE2015”, [s.d.]).

3.9.2. Atualizações Over-the-Air (OTA)

As urnas eletrônicas não podem ser atualizadas remotamente. Todo o processo de instalação e atualização de software nas urnas é realizado presencialmente, por meio de mídias físicas, em um ambiente controlado. Isso é uma medida de segurança para evitar qualquer tipo de acesso remoto, que poderia comprometer a integridade do sistema (“Saiba mais sobre a segurança da urna eletrônica”, 2024).

3.10. Unidade de Proteção e Segurança

3.10.1. Criptografia

• Perímetro criptográfico certificado ICP-Brasil

3.10.2. Hardware Security Module (HSM)

• Hardware criptográfico (Módulo de Segurança Embarcado – MS)

3.10.3. Outras caracteísticas de Segurança

• Autenticação biométrica
• Controle de acesso rígido
• Comunicação criptografada em dispositivos periféricos (impressora e leitor biométrico)

3.11. Armazenamento Externo

3.12. Interface com o Usuário (UI)

3.12.1. Displays

• Display do Terminal do Eleitor: LCD 10,1'' Policromático

3.12.2. Botões e Sensores de Toque

• Teclado do Terminal do Mesário: Digital Sensível ao toque
• Teclado do Terminal do Eleitor: Mecânico

4. Artigos acadêmicos relacionados

• Artigo sobre orquestração de container baseado em funções de tempo-utilidade (Real-time Container Orchestration Based on Time-utility Functions):

O artigo aborda sobre experimentos feitos em cima de virtualização a base de conteiners e melhorias que isso traz em cima da computação de névoa e borda (Fog and Edge Computing - FEC). Os principais pontos levantados são que otimiza recursos nas aplicações e acelera a inicialização de instâncias adicionais nos sistemas. FEC: Junta as vantagens de computação voltada para núvens com a habilidade de transferir controle a baixa latência a nós das pontas. Ele aponta que sistemas GNU/Linux utilizam namespaces e grupos de controle (cgroups), isolando e limitando o acesso de aplicações (tarefas) a recursos como CPU ou memória, mas que a containerização não pode garantir o cumprimento de prazos críticos em aplicações em tempo real. Também aponta diversos autores que formularam sistemas de orquestrações similares, mas que ainda apresentavam alguma desvantagem. Visto isso, os autores apresentam uma estrutura de orquestração altamente configurável que utiliza uma hierarquia de controle e realizam casos de testes reais nessa estrutura de orquestração. Durante os testes reais online, eles utilizam o processador Intel® Atom™ E3940, 1.60 GHz, mesmo utilizado pela urna eletrônica (UE2022). O que é interessante, visto que em um teste onde a otimização dos recursos e velocidade de resposta do sistema é tão importante eles utilizam o mesmo processador da intel.

• Artigo sobre a criação da arquitetura T-DRE, utilizadas desde o modelo UE2009 e criada pelo TSE e pesquisadores da Unicamp:

O artigo "T-DRE: A Hardware Trusted Computing Base for Direct Recording Electronic Vote Machines" (GALLO et al., 2010) propõe uma arquitetura de segurança baseada em hardware, chamada T-DRE, para máquinas de votação eletrônica. A arquitetura combina mecanismos avançados como execução de código assinado e controle certificado de periféricos, visando aumentar a privacidade, verificabilidade e resistência a ataques. Essa solução é projetada para ser auditável, resistente a fraudes e compatível com protocolos modernos de votação.

A principal inovação é o Master Security Module (MSM), que centraliza os mecanismos criptográficos e controla o acesso ao hardware, garantindo que apenas softwares assinados pelo sistema eleitoral sejam executados. Além disso, o MSM possibilita a verificação de integridade por meio de interfaces acessíveis ao público, como LEDs indicativos, e mecanismos criptográficos avançados que fortalecem a confiança no sistema de votação.

A arquitetura T-DRE foi validada por protótipos e implementada em larga escala para as eleições presidenciais brasileiras de 2010, com a produção de 165 mil unidades. Essa abordagem mostra como tecnologias modernas podem ser adaptadas para atender às demandas de segurança, transparência e custo-benefício no contexto de eleições nacionais.

• Artigo "Analysis and Verification of Board Power Delivery Network Impact on DDR3L Memory Interface in ARM SoC Application"

O artigo investiga como o sistema de entrega de energia da placa (PDN, Power Delivery Network), influencia o desempenho de interfaces de memória DDR3L (memória utilizada na UE2022) utilizadas em sistemas embarcados baseados em ARM. Por meio de simulações nos domínios de frequência e tempo, os autores analisam o impacto do ruído gerado por mudanças simultâneas nos sinais elétricos durante o funcionamento e da variação indesejada no tempo de chegada dos sinais, podendo comprometer a precisão e a integridade da transmissão de dados na integridade do sinal. O estudo conclui que incluir a modelagem da PDN da placa é essencial para prever corretamente o desempenho da memória DDR3L em aplicações críticas.

Esse trabalho é particularmente relevante para as urnas eletrônicas, que empregam a mesma memória e processadores embarcados com arquiteturas similares. Garantir a estabilidade elétrica e o desempenho das interfaces de memória é crucial para evitar falhas durante o processo de votação, assegurando a confiabilidade e integridade do sistema. A abordagem descrita no artigo pode ser aplicada para aprimorar o design e a validação de componentes da urna eletrônica.

5. Produtos relacionados

5.1. Caixa eletrônico (ATM)

Os caixas eletrônicos, ou ATMs (do inglês: Automated Teller Machine), compartilham com a urna eletrônica a necessidade de processamento seguro, controle de acesso rigoroso e proteção contra possíveis ataques. Ambos utilizam criptografia para proteger dados e implementam mecanismos de autenticação para assegurar a integridade do sistema. Além disso, como a urna eletrônica, os ATMs são adaptados com tecnologias específicas para oferecer um serviço eficiente e confiável aos usuários, respeitando altos padrões de segurança.

5.2. Terminais de ponto eletrônico

Os terminais de ponto eletrônico são projetados para registrar a entrada e saída dos funcionários, utilizando mecanismos robustos de autenticação e verificação de identidade, como leitores biométricos. Assim como a urna eletrônica, esses sistemas empregam tecnologias de criptografia para proteger os dados dos usuários e garantir a confiabilidade das informações registradas.

5.3. Dispositivos de controle de acesso biométrico

Usados em academias, condomínios, salas de aula e outras instalações, os dispositivos de controle de acesso biométrico podem ser equipados com leitores de impressões digitais para verificação da identidade. Assim como a urna eletrônica, esses dispositivos empregam criptografia para proteger os dados do usuário e garantir a segurança do sistema.

5.4. Monitores de ECG (eletrocardiograma)

Os monitores de eletrocardiograma, assim como a urna eletrônica, são sistemas embarcados que processam informações sensíveis e, em alguns casos, incluem impressoras térmicas embutidas para a impressão dos resultados. Esses dispositivos precisam de alto nível de processamento e confiabilidade, utilizando tecnologia avançada para garantir que os dados do paciente sejam precisos e protegidos.

5.5. Totem de auto-atendimento

O totem de autoatendimento, assim como a urna eletrônica, utiliza tecnologias interativas para oferecer serviços eficientes aos clientes. Equipados com teclados mecânicos e/ou telas sensíveis ao toque, esses dispositivos permitem uma interface intuitiva para o usuário, garantindo um processo de uso ágil e seguro.

6. Referências

Detalhes técnicos das urnas eletrônicas 2020 e 2022. Disponível em: https://www.justicaeleitoral.jus.br/urna-eletronica/detalhes-tecnicos-da-urna.html. Acesso em: 28 nov. 2024.

D. T. Tran et al., "Analysis and verification of board power delivery network impact on DDR3L memory interface in ARM SoC application," 2013 IEEE 22nd Conference on Electrical Performance of Electronic Packaging and Systems, San Jose, CA, USA, 2013, pp. 215-218, doi: 10.1109/EPEPS.2013.6703502.

Evoluções. Disponível em: https://www.justicaeleitoral.jus.br/urna-eletronica/evolucoes.html. Acesso em: 28 nov. 2024.

GALLO, R. et al. T-DRE. Annual Computer Security Applications Conference, 6 dez. 2010.

Hardware da UE2015. [s.l: s.n.]. Disponível em: https://www.justicaeleitoral.jus.br/tps/arquivos/2021/apresentacao-7-tps-2021-cotel-urna-eletronica.pdf. Acesso em: 28 nov. 2024.

Informações técnicas. Disponível em: https://www.justicaeleitoral.jus.br/urna-eletronica/informacoes-tecnicas.html.

Processador Intel Atom® x5-E3940 (cache de 2M, até 1,80 GHz). Disponível em: https://www.intel.com.br/content/www/br/pt/products/sku/96485/intel-atom-x5e3940-processor-2m-cache-up-to-1-80-ghz/specifications.html. Acesso em: 28 nov. 2024.

Saiba mais sobre a segurança da urna eletrônica. Disponível em: https://www.tre-sp.jus.br/comunicacao/noticias/2024/Outubro/saiba-mais-sobre-a-seguranca-da-urna-eletronica.

Tecnologia Eleitoral -Cotel. [s.l: s.n.]. Disponível em: https://www.justicaeleitoral.jus.br/tps/arquivos/2023/apresentacoes/teste2023-cotel-hardware-da-urna-eletronica-1.pdf. Acesso em: 28 nov. 2024.

Urna eletrônica. Disponível em: https://www.tre-sc.jus.br/eleicoes/urna-eletronica/urna-eletronica. Acesso em: 28 nov. 2024.

Walser, Stefan, Jan Ruh, and Silviu S. Craciunas. "Real-time Container Orchestration Based on Time-utility Functions." 2024 IEEE 20th International Conference on Factory Communication Systems (WFCS). IEEE, 2024.