[論文レビュー] A Lightweight Blockchain and Fog-enabled Secure Remote Patient Monitoring System

Omar Cheikhrouhou, Khaleel Mershad+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2023

IoT and Edge/Fog Computing被引用数 9

ひとこと要約

論文は、リソース制約のある医療IoTデバイスのセキュリティ、プライバシー、および応答性を向上させるため、軽量ブロックチェーンとフォグ対応合意形成を用いた3層IoT–フォグ–クラウドリモート患者モニタリングシステムを提案します。

ABSTRACT

IoT has enabled the rapid growth of smart remote healthcare applications. These IoT-based remote healthcare applications deliver fast and preventive medical services to patients at risk or with chronic diseases. However, ensuring data security and patient privacy while exchanging sensitive medical data among medical IoT devices is still a significant concern in remote healthcare applications. Altered or corrupted medical data may cause wrong treatment and create grave health issues for patients. Moreover, current remote medical applications' efficiency and response time need to be addressed and improved. Considering the need for secure and efficient patient care, this paper proposes a lightweight Blockchain-based and Fog-enabled remote patient monitoring system that provides a high level of security and efficient response time. Simulation results and security analysis show that the proposed lightweight blockchain architecture fits the resource-constrained IoT devices well and is secure against attacks. Moreover, the augmentation of Fog computing improved the responsiveness of the remote patient monitoring system by 40%.

研究の動機と目的

• IoT医療システムにおけるリモート患者モニタリングデータのセキュリティとプライバシーを確保する。
• リアルタイムの健康モニタリングにおけるレイテンシを低減し、応答性を向上させる。
• 軽量なアーキテクチャとフォグコンピューティングを通じてIoTデバイスがブロックチェーンに参加できるようにする。
• スマートコントラクトを介したアクセス制御を備えた患者中心のデータ管理フレームワークを提供する。

提案手法

• 健康データを収集・処理・保存するために、3層RPMアーキテクチャ（IoT、fog、cloud）を導入する。
• IoTゲートウェイがローカルブロックを保存し、クラウドサーバが全ブロックを保存し、IoTデバイスがブロックヘッダを保持する、軽量ブロックチェーンを設計する。
• クラウドサーバがブロックを巡回順で生成し、ブロックを追加する前に過半数の確定を得る、軽量なコンセンサスプロトコルを提案する。
• フォグコンピューティングをエッジ層として、ローカルブロックチェーンをホストし、データ集約とリアルタイムアラートを処理する。
• アクセス制御、データ共有同意、異常な健康イベント時の自動通知にスマートコントラクトを使用する。
• フォグ-クラウド連携に適合した軽量な位置ベースのコンセンサスを採用して、PoW/PoSを排除する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IoTゲートウェイ、フォグノード、およびクラウドサーバに分散された軽量ブロックチェーンが、RPMデータをどのように安全に管理できるか。
• RQ2 フォグレイヤーを組み込むことが、リモート患者モニタリングシステムの応答性とセキュリティにどのような影響を与えるか。
• RQ3 IoTデバイスは限られたリソースを消費せずにブロックチェーンの運用に参加できるか。
• RQ4 スマートコントラクトは、複数ノードのRPM環境において患者中心のデータアクセスと同意をどのように強制できるか。

主な発見

• 本システムはIoT、フォグコンピューティング、ブロックチェーンを統合し、セキュアでプライベートかつ監査可能なRPMデータ管理を提供する。
• フォグコンピューティングは、クラウド保存前のリアルタイム処理と局所的な集約を可能にすることで応答性を向上させる。
• 軽量ブロックチェーンアーキテクチャはストレージを分散させる：IoTゲートウェイはローカルブロックとヘッダデータを保持し、クラウドサーバは完全なブロックを保持し、IoTデバイスはブロックヘッダを保持する。
• 過半数の確定を伴う回転型クラウドサーバ同意機構は、従来のPoW/PoSのオーバーヘッドなしに新しいブロックを検証する。
• スマートコントラクトは患者中心のアクセス制御と異常状態での自動通知を実現する。
• 要約は、資源制約のあるIoTデバイスに適合し、応答性を40%向上させることを示すシミュレーション結果とセキュリティ分析を報告している。