[논문 리뷰] A Reliable IoT-Based Embedded Health Care System for Diabetic Patients

Zeyad Al‐Odat, Sudarshan K. Srinivasan외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 16.

IoT and Edge/Fog Computing참고 문헌 21인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 알라리스 8100 인슐린 펌프, 키얼 LPC-1768 마이크로컨트롤러, 클라우드 통합을 사용한 IoT 기반 임베디드 당뇨병 환자 건강 관리 시스템을 제안한다. 시스템은 SHA-256 해싱과 SSH 암호화를 통해 신뢰성을 확보하여 건강 기록 처리 속도가 밀리초 이하이며, 가용성이 99.3%에 이른다.

ABSTRACT

This paper introduces a reliable health care system for diabetic patients based on the Internet of Things technology. A diabetic health care system with a hardware implementation is presented. The proposed work employs Alaris 8100 infusion pump, Keil LPC-1768 board, and IoT-cloud to monitor the diabetic patients. The security of diabetic data over the cloud and the communication channel between health care system components are considered as part of the main contributions of this work. Moreover, an easy way to control and monitor the diabetic insulin pump is implemented. The \mbox{patient extquotesingle s} records are stored in the cloud using the Keil board that is connected to the infusion pump. The reliability of the proposed scheme is accomplished by testing the system for five performance characteristics (availability, confidentiality, integrity, authentication, and authorization). The Kiel board is embedded with Ethernet port and Cortex-M3 micro-controller that controls the insulin infusion pump. The secure hash algorithm and secure socket shell are employed to achieve the reliability components of the proposed scheme. The results show that the proposed design is reliable, secure and authentic according to different test experiments and a case study of the Markov model. Moreover, a 99.3\% availability probability has been achieved after analyzing the case study.

연구 동기 및 목표

• 당뇨병 환자를 대상으로 한 신뢰성 있고 안전하며 실시간으로 작동하는 IoT 기반 건강 관리 시스템을 설계하는 것.
• 클라우드에 저장된 당뇨병 환자 건강 기록의 기밀성, 무결성, 인증과 같은 핵심 보안 도전 과제를 해결하는 것.
• 강력한 액세스 제어와 데이터 무결성 보장을 통해 인슐린 주입 펌프의 원격 모니터링 및 제어를 가능하게 하는 것.
• 마르코프 모델링과 성능 테스트를 통해 가용성, 기밀성, 무결성, 인증 및 권한 부여 등 다양한 측면에서 시스템의 신뢰성을 평가하는 것.
• 환자 기기, 클라우드, 간호사 간에 저지연, 안전한 데이터 전송을 보장하는 하드웨어-소프트웨어 스택을 구현하는 것.

제안 방법

• 실시간 데이터 처리 및 통신을 위해 코르텍스-M3 마이크로컨트롤러와 이더넷 인터페이스를 탑재한 키얼 LPC-1768 보드를 사용한다.
• 자동 인슐린 주입 제어를 위해 임베디드 시스템에 알라리스 8100 인슐린 펌프를 통합한다.
• 메시지 무결성과 데이터 진위성 확보를 위해 SHA-256을 활용하여 암호화 해싱을 통해 변조 탐지 기능을 제공한다.
• 시스템 구성 요소와 클라우드 간의 안전한 통신 채널을 확보하기 위해 SSH 암호화를 적용한다.
• 권한 있는 실체만 데이터 접근을 허용하도록 인증 및 권한 부여 메커니즘을 통해 액세스 제어를 구현한다.
• 실험적 데이터에서 유도된 장애 및 복구 비율을 기반으로 마르코프 체인 모델링을 사용하여 시스템 신뢰성 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IoT 기반 임베디드 시스템은 당뇨병 환자 모니터링에서 높은 가용성과 신뢰성을 어떻게 확보할 수 있는가?
• RQ2 SHA-256과 SSH 암호화가 함께 적용될 경우 환자 건강 데이터의 기밀성, 무결성, 인증을 얼마나 효과적으로 보장할 수 있는가?
• RQ3 실시간 건강 기록 처리를 위한 시스템의 엔드 투 엔드 처리 지연 시간은 얼마인가?
• RQ4 환자의 안전을 해치지 않으면서도 시스템은 어떻게 안전한 원격 제어를 통해 인슐린 주입 펌프를 제어할 수 있는가?
• RQ5 실제 운영 조건 하에서 시스템 장애 또는 정지 확률은 얼마인가?

주요 결과

• 마르코프 모델 분석 결과, 시스템은 정상 작동 상태를 유지할 확률이 99.3%로 확인되었다.
• 70건의 당뇨병 환자 건강 기록 샘플에 대한 평균 처리 시간은 5.8 × 10⁻⁴초(0.58밀리초)였으며, 낮은 표준편차로 일관된 성능을 보였다.
• 시스템은 가용성, 기밀성, 무결성, 인증, 권한 부여의 다섯 가지 신뢰성 특성을 모두 성공적으로 구현하였다.
• 구현된 환경에서 SHA-256에 대한 성공적인 충돌 공격가 발견되지 않아 강력한 데이터 무결성이 확인되었다.
• 통신에 SSH를 사용하고 해싱에 SHA-256을 적용함으로써 무단 접근 및 데이터 변조를 효과적으로 방지하였다.
• 보안적이고 인증된 액세스를 통해 인슐린 펌프의 원격 모니터링 및 제어를 지원함으로써 환자 간호 효율성이 향상되었다.