[論文レビュー] Attribute-based Multi-Signature and Encryption for EHR Management: A Blockchain-based Solution

Hao Guo, Wanxin Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2020

Cryptography and Data Security参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、属性ベースのマルチ署名（ABMS）を用いた匿名の患者認証と、細粒度なアクセス制御のためのマルチオーソリティ属性ベース暗号化（ABE）を活用した、プライバシー保護型電子健康記録（EHR）管理のためのブロックチェーン・エッジハイブリッドアーキテクチャを提案する。システムは認証およびアクセスイベントをHyperledger Fabricブロックチェーンにログ記録し、暗号化されたEHRをエッジノードに格納する。署名時間は32 ms、検証時間は1属性あたり243 msで、9属性まで線形スケーラビリティを達成する。

ABSTRACT

The global Electronic Health Record (EHR) market is growing dramatically and has already hit $31.5 billion in 2018. To safeguard the security of EHR data and privacy of patients, fine-grained information access and sharing mechanisms are essential for EHR management. This paper proposes a hybrid architecture of blockchain and edge nodes to facilitate EHR management. In this architecture, we utilize attribute-based multi-signature (ABMS) scheme to authenticate user's signatures without revealing the sensitive information and multi-authority attribute-based encryption (ABE) scheme to encrypt EHR data which is stored on the edge node. We develop the blockchain module on Hyperledger Fabric platform and the ABMS module on Hyperledger Ursa library. We measure the signing and verifying time of the ABMS scheme under different settings, and experiment with the authentication events and access activities which are logged as transactions in blockchain.

研究の動機と目的

• 電子健康記録（EHR）データのセキュリティを確保すると同時に、医療提供者間での細粒度でプライバシー保護型のアクセスを可能にすること。
• 身元ベースの署名の代わりに属性ベースの署名を用いることで、パブリックブロックチェーン上での患者の身元や機微情報の露呈を防ぐこと。
• 大容量のEHRデータ（例：医療画像）をエッジノードにオフロードすることで、ブロックチェーンのストレージ制限を克服すること。
• 不可逆的なブロックチェーンログ記録により、EHRアクセスイベントの責任追及性と追跡可能性を確保すること。
• 属性長および属性数の変動に対するABMS署名および検証のパフォーマンスを評価すること。

提案手法

• システムは、認証およびアクセスイベントのログ記録にブロックチェーン（Hyperledger Fabric）を、ABE暗号化されたEHRデータの格納にエッジノードを組み合わせたハイブリッドアーキテクチャを採用する。
• 属性ベースのマルチ署名（ABMS）は、Hyperledger Ursa上でBLS署名方式を実装し、匿名的かつ属性ベースの患者認証を可能にする。
• エッジノードに格納されるEHRデータは、CP-ABEを用いて暗号化され、資格を満たす属性を持つユーザーにのみアクセスを許可する。
• Hyperledger Fabric上のスマートコントラクトがアクセスポリシーを強制し、ABMS検証に成功した場合に一時的で自己破壊型のURLを返却する。
• システムは、1回限り有効なURL（1ty.me経由）を用いて、EHRアクセスリンクを安全に共有し、1回の使用後は無効化される。
• パフォーマンス評価では、属性長および属性数の変動に対するABMS署名および検証時間の測定を行い、その結果をブロックチェーンに記録する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EHRシステムにおいて、機微な個人情報の露呈を避けながら、患者の身元をどのように認証できるか？
• RQ2 複数の属性にスケーリングする際、属性ベースのマルチ署名方式に生じるパフォーマンスオーバーヘッドはどの程度か？
• RQ3 ハイブリッドブロックチェーン・エッジアーキテクチャは、EHR管理におけるデータのプライバシー、アクセス制御、システムスケーラビリティのバランスを効果的に果たせるか？
• RQ4 システムは、ユーザーの属性に基づいて、正当な医療提供者にのみEHRにアクセスを許可する仕組みをどのように確保するか？
• RQ5 実世界の展開状況において、認証およびEHRアクセスワークフローのエンドツーエンド遅延はどの程度か？

主な発見

• ABMS署名時間は、属性長にかかわらず約32 msで一定であり、データサイズに依存しないことを示している。
• ABMS検証時間は1属性あたり平均243 msで、属性数の増加に従って線形に増加する。これは複数回の双線形ペアリング処理が必要なためである。
• 合計の検証時間は属性数に比例して増加し、9属性の署名では1属性の約9倍の時間がかかる。
• システムは、患者の認証およびEHRアクセスイベントを、Hyperledger Fabricブロックチェーン上に不可逆的なトランザクションとして正常にログ記録した。
• 1回限り有効な自己破壊型URLの使用により、EHRアクセスリンクが1回の使用のみで有効となることが保証され、データ機密性が向上した。
• ABMSおよびABEをブロックチェーンおよびエッジストレージと統合することで、患者のプライバシーを保護しながらも、安全で追跡可能かつ細粒度なEHRアクセスが実現された。