[논문 리뷰] IoT-Based Secure Embedded Scheme for Insulin Pump Data Acquisition and Monitoring

Zeyad Al‐Odat, Sudarshan K. Srinivasan외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 06.

IoT and Edge/Fog Computing참고 문헌 9인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 Keil LPC1768 마이크로컨트롤러를 사용한 IoT 기반 임베디드 시스템을 제안하여 인슐린 펌프 데이터를 안전하게 확보하고 모니터링한다. 데이터 무결성과 신원 확인을 보장하기 위해 SHA-256 해시를 적용하며, 클라우드와 환자 측 기록 간의 데이터 일관성을 검증하여 해시 비교를 통해 변조 여부를 탐지하고, 주입 펌프에 대한 명령 전송을 안전하게 보장한다.

ABSTRACT

This paper introduces an Internet of Things (IoT)-based data acquisition and monitoring scheme for insulin pumps. The proposed work employs embedded system hardware (Keil LPC1768-board) for data acquisition and monitoring. The hardware is used as an abstract layer between the insulin pump and the cloud. Diabetes data are secured before they are sent to the cloud for storage. Each patient's record is digitally signed using a secure hash algorithm mechanism. The proposed work will protect the patient's records from being breached from unauthorized entities, and authenticates them from improper modifications. The design is tested and verified using $μ$Vision studio, the Keil board mentioned above, and an ALARIS 8100 infusion pump. Moreover, a test case for a real cloud example is presented with the help of the Center of Computationally Assisted System and Technology. This center provided the infrastructure service to test our work.

연구 동기 및 목표

• 인슐린 펌프 데이터 전송 및 저장 시의 보안 취약점을 해결하기 위해 경량이며 하드웨어 기반의 인증 메커니즘을 구현한다.
• 클라우드 기반 전송 중 환자 건강 기록의 무결성을 확보하고 무단 수정을 방지한다.
• 인슐린 펌프와 클라우드 사이의 추상화 계층으로서 임베디드 시스템을 활용하여 당뇨병 관련 데이터를 실시간으로 안전하게 모니터링한다.
• 실제 환경 테스트 환경에서 암호학적 해시 검증을 통해 데이터 변조 탐지를 시스템의 능력을 검증한다.
• 최종 사용자에게 인슐린 주입 스케줄에 대한 통제 권한을 향후 확장하면서도 종단 간 보안을 유지할 수 있도록 지원한다.

제안 방법

• Keil LPC1768 마이크로컨트롤러는 Alaris 8100 인슐린 펌프와 클라우드 사이의 임베디드 하드웨어 추상화 계층으로 기능한다.
• 환자 건강 데이터(혈액 포도당 수치 및 의료 프로필 포함)는 전송 이전에 SHA-256 암호 해시 함수를 사용하여 보호된다.
• 각 데이터 레코드는 디지털 서명으로서 SHA-256 해시 값이 생성되어 데이터 패킷에 첨부되어 무결성 검증을 위해 사용된다.
• 데이터 수신 시 시스템은 환자 측에서 다시 SHA-256 해시를 계산하고 전송된 해시와 비교한다. 불일치하는 값은 변조를 시사한다.
• 병원에서 펌프로 전송된 제어 명령어 역시 SHA-256로 서명되어 마이크로컨트롤러에 의해 검증된 후 실행된다.
• 시스템은 Cortex-M3 프로세서의 장애 예외 처리 기능을 활용하여 데이터 처리 중 하드웨어 수준의 오류를 탐지하고 대응한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인슐린 펌프와 클라우드 사이의 데이터 교환을 안전하게 중개하면서 데이터 무결성을 유지할 수 있는 임베디드 시스템은 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 SHA-256 해시는 전송 중 환자 건강 기록에 대한 무단 수정을 어느 정도 탐지할 수 있는가?
• RQ3 Keil LPC1768과 같은 저전력 마이크로컨트롤러는 실시간 의료 IoT 환경에서 암호학적 인증을 효과적으로 구현할 수 있는가?
• RQ4 시스템은 오직 인증된 변경되지 않은 제어 명령어만 인슐린 펌프가 실행하도록 보장하는가?
• RQ5 실제 의료 기기로 구성된 실제 환경 테스트 설정에서 제안된 기법의 데이터 변조 탐지 효과는 어떠한가?

주요 결과

• 시스템은 클라우드와 환자 측 시스템 간의 SHA-256 해시 값 비교를 통해 데이터 변조를 성공적으로 탐지하였으며, 불일치하는 해시 값은 데이터 수정을 시사한다.
• 표 I에서 클라우드와 환자 측 모두 동일한 SHA-256 해시 값(14b93acf-ccdcbe40-ea3795be-c1073498-51a96c90-6cedfc9c-49d8e2cf-a141befb)을 기록하여 데이터의 무결성이 확인되었다.
• 표 II에서 환자 측에서 불일치하는 해시 값(358c4f29-f0e2bb60-8efa35d4-a88a6b3b-58939ffd-deebf824-8065c195-b834b8cd)이 확인되어 데이터 수정이 이루어졌고, 시스템은 이를 정확히 탐지하고 폐기하였다.
• Keil LPC1768 마이크로컨트롤러는 다시 계산하고 SHA-256 값을 비교함으로써 제어 명령어의 진위성을 성공적으로 검증하여, 오직 유효한 명령어만 주입 펌프로 전달되었다.
• 시스템은 24시간 혈액 포도당 모니터링 기간 동안의 실제 데이터를 사용하여 실시간 무결성 검증을 수행하였으며, 일관되고 안전한 데이터 처리가 이루어졌음을 확인하였다.
• 컴putationally Assisted System and Technology 센터와의 통합은 검증된 클라우드 인프라를 제공하였으며, 시스템의 실용성과 생산 환경 유사성에서의 타당성을 확인하였다.