[論文レビュー] Privacy-preserving Health Data Sharing for Medical Cyber-Physical Systems

Han Qiu, Meikang Qiu+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2019

User Authentication and Security Systems参考文献 14被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、選択的暗号化、データ断片化、分散格納を組み合わせることで、クラウドストレージおよび暗号鍵が侵害された場合でも電子的健康記録（EHR）のプライバシーを保護する、ユーザー中心のプライバシー保護型データ共有方式を提案する。スマートフォンプラットフォーム上で評価された本手法は、2.2 GB/sの性能を達成し、全AES-128暗号化よりも2.3倍高速である。これは、現実的な脅威モデル下でも高い効率性と強固なセキュリティを示している。

ABSTRACT

The recent spades of cyber security attacks have compromised end users' data safety and privacy in Medical Cyber-Physical Systems (MCPS). Traditional standard encryption algorithms for data protection are designed based on a viewpoint of system architecture rather than a viewpoint of end users. As such encryption algorithms are transferring the protection on the data to the protection on the keys, data safety and privacy will be compromised once the key is exposed. In this paper, we propose a secure data storage and sharing method consisted by a selective encryption algorithm combined with fragmentation and dispersion to protect the data safety and privacy even when both transmission media (e.g. cloud servers) and keys are compromised. This method is based on a user-centric design that protects the data on a trusted device such as end user's smartphone and lets the end user to control the access for data sharing. We also evaluate the performance of the algorithm on a smartphone platform to prove the efficiency.

研究の動機と目的

• 鍵の再利用やクラウドプロバイダの信頼性欠如による、MCPSにおけるEHRデータ漏洩の増加する脅威に対処する。
• ユーザー中心の視点からEHRプライバシーを保護するシステムを設計し、鍵とクラウドに格納された断片が露出してもデータが安全であることを保証する。
• スマートフォンなどのモバイルエッジデバイスに適した、軽量で効率的なデータ保護メカニズムを開発する。
• 信頼できるローカルデバイス（例：スマートフォン）とアクセス制御ポリシーを用いて、エンドユーザーがデータ共有を制御できるようにする。
• 実際のモバイルハードウェア上で提案された方式の性能を評価し、実用性と効率性を検証する。

提案手法

• 各256ビットデータユニットのうち12.5％（32ビット）をプライベート断片として選択的に暗号化することで、計算負荷を低減する。
• 各256ビットデータユニットに対してSHA-256ハッシュを適用し、公開断片を生成することで、機密データを露呈せずに整合性検証が可能になる。
• 得られた暗号化済みプライベート断片と公開ハッシュを複数のクラウドサーバーに断片化・分散格納し、データの再構成を不可能にする。
• プライベート断片をユーザーの信頼できるスマートフォンに格納し、アクセス制御および復号の中心拠点として使用する。
• データをクラウドにアウトソーシングする前に、スマートフォンで暗号化およびハッシュ処理を実行することで、モバイルエッジコンピューティングを活用する。
• 暗号化にはAES-128とCBCモードを、ハッシュにはSHA-256を採用し、最新のスマートフォンで利用可能なARMv8暗号拡張子により最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クラウドストレージおよび暗号鍵が侵害された場合でも、ユーザー中心のデータ保護方式がEHRのプライバシーを確保できるか？
• RQ2 選択的暗号化に加え、断片化と分散格納を組み合わせることで、MCPSにおける標準的な全暗号化方式に比べてどのようにセキュリティが向上するか？
• RQ3 本手法の性能オーバーヘッドは、モバイルプラットフォーム上での全AES-128暗号化と比較してどの程度か？
• RQ4 本手法は、リアルタイムの医療データ共有に耐えうるほど効率的でありながら、強固なプライバシー保証を維持できるか？
• RQ5 分散型でクラウドベースのMCPS環境において、本システムはエンドユーザーがデータアクセスおよび共有を制御できるようにどのように保証するか？

主な発見

• 提案された選択的暗号化（SE）方式は、A11プロセッサ搭載のiPhone 8 Plusで2.2 GB/sのデータ処理速度を達成し、AES-128 CBCモードのベースラインを上回った。
• SE手法は、1ブロックあたり暗号化対象が12.5％に制限されているため、計算量が削減され、全AES-128暗号化と比較して約2.3倍高速であった。
• 鍵と公開断片が漏洩した場合でも、プライベート断片が鍵なしでは復元不能であるため、データ機密性が保たれる。
• 性能評価により、アルゴリズムが効率的で、モバイルエッジデバイスに適していることが確認され、リアルタイムMCPS応用に実用的であることが示された。
• ARMv8暗号拡張子の使用により、AES-128およびSHA-256処理が顕著に高速化され、最新スマートフォンにおける全体的なシステム性能が向上した。
• 本方式は、データ保護と鍵のセキュリティを分離することに成功し、鍵の漏洩や第三者によるデータマイニングに対してもレジリエンスを提供した。