[논문 리뷰] Attribute-based Multi-Signature and Encryption for EHR Management: A Blockchain-based Solution

Hao Guo, Wanxin Li외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 25.

Cryptography and Data Security참고 문헌 14인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 환자 인증을 위한 속성 기반 다중 서명(ABMS)과 세밀한 액세스 제어를 위한 다중 기관 기반 속성 암호화(ABE)를 사용하여 기밀성 보장된 전자 건강 기록(EHR) 관리를 위한 블록체인-에지 하이브리드 아키텍처를 제안한다. 시스템은 인증 및 액세스 이벤트를 Hyperledger Fabric 블록체인에 기록하고, 암호화된 EHR 데이터는 에지 노드에 저장하며, 각 속성에 대해 32ms의 서명 시간과 243ms의 검증 시간을 기록하여 최대 9개의 속성까지 선형 확장성을 확보한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 의료 제공자 간의 세밀하고 기밀성 보장된 액세스 제어를 가능하게 하면서도 EHR 데이터를 안전하게 보호하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 개인 식별 정보 폭 lộ를 방지하기 위해 신원 기반 서명 대신 속성 기반 서명을 사용하여 공공 블록체인에서 환자 신원과 민감 정보가 노출되지 않도록 하기 위해.
• 큰 EHR 데이터(예: 의료 영상)를 블록체인에 저장하는 데 따른 제약를 해결하기 위해 블록체인 외부의 에지 노드에 데이터를 오프로드하기 위해.
• 불변성 있는 블록체인 기록을 통해 EHR 액세스 이벤트의 책임성과 추적 가능성을 확보하기 위해.
• 서명 및 검증 시간의 성능을 다양한 속성 길이와 수치에 따라 평가하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 블록체인(Hyperledger Fabric)을 사용해 인증 및 액세스 이벤트를 기록하고, 에지 노드를 사용해 ABE 암호화된 EHR 데이터를 저장하는 하이브리드 아키텍처를 채택한다.
• 속성 기반 다중 서명(ABMS)은 Hyperledger Ursa에서 BLS 서명 체계를 기반으로 구현되어 환자 인증을 익명성과 속성 기반으로 가능하게 한다.
• 에지 노드에 저장된 EHR 데이터는 다중 기관 기반 암호화(CP-ABE)로 암호화되어, 자격을 갖춘 속성을 가진 사용자만 액세스할 수 있도록 한다.
• Hyperledger Fabric의 스마트 컨트랙트는 액세스 정책을 시행하며, ABMS 검증에 성공한 후에는 한 번만 사용 가능한 자동 삭제되는 URL을 반환한다.
• 시스템은 1ty.me를 활용해 한 번만 사용 가능한 URL을 사용하여 EHR 액세스 링크를 안전하게 공유한다.
• 성능 평가는 다양한 속성 길이와 수치에 따라 ABMS 서명 및 검증 시간을 측정하며, 결과는 블록체인에 기록된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EHR 시스템에서 민감한 개인 정보를 폭 lộ하지 않고도 환자 신원을 어떻게 인증할 수 있는가?
• RQ2 다양한 속성으로 확장될 경우 속성 기반 다중 서명 체계의 성능 오버헤드는 어떻게 되는가?
• RQ3 블록체인-에지 하이브리드 아키텍처는 EHR 관리에서 데이터 기밀성, 액세스 제어 및 시스템 확장성 간의 균형을 효과적으로 유지할 수 있는가?
• RQ4 시스템은 자격이 있는 의료 제공자만 그들의 속성에 따라 EHR에 액세스할 수 있도록 보장하는가?
• RQ5 실제 운영 환경에서 인증 및 EHR 액세스 워크플로의 종단 간 지연 시간은 얼마인가?

주요 결과

• ABMS 서명 시간은 속성 길이에 관계없이 약 32ms로 일정하게 유지되며, 이는 데이터 크기와 무관함을 보여준다.
• ABMS 검증 시간은 평균적으로 각 속성당 243ms이며, 다중 이중성 쌍을 수행해야 하므로 속성 수가 증가함에 따라 선형적으로 증가한다.
• 전체 검증 시간은 속성 수에 따라 선형적으로 증가하며, 9개의 속성을 가진 서명은 단일 속성 서명의 약 9배의 시간이 소요된다.
• 시스템은 환자 인증 및 EHR 액세스 이벤트를 Hyperledger Fabric 블록체인에 불변성 있는 트랜잭션으로 기록하는 데 성공했다.
• 한 번만 사용 가능한 자동 삭제되는 URL의 사용은 EHR 액세스 링크가 오직 한 번만 유효함을 보장하여 데이터 기밀성을 강화한다.
• ABMS와 ABE를 블록체인 및 에지 스토리지와 통합함으로써, 환자 기밀성을 유지하면서도 안전하고 추적 가능하며 세밀한 EHR 액세스를 가능하게 했다.