[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出了一种面向医疗信息物理系统（MCPS）的以用户为中心、保护隐私的数据共享方案，结合选择性加密、数据分片与分散存储技术，即使在云存储和加密密钥均被攻破的情况下，也能保护电子健康记录（EHR）的隐私。该方法在智能手机平台上进行了评估，实现了2.2 GB/s的处理性能——比完整AES-128加密快2.3倍，证明了其在现实威胁模型下的高效性与强安全性。

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.

研究动机与目标

• 应对由于密钥重复使用和云服务提供商不可信所导致的MCPS中EHR数据泄露日益增长的威胁。
• 设计一种从用户视角出发的系统，确保即使密钥和云存储的分片均被泄露，EHR隐私依然受到保护。
• 开发一种轻量级、高效的防护机制，适用于智能手机等移动边缘设备。
• 通过可信本地设备（如智能手机）和访问控制策略，确保终端用户对数据共享的控制权。
• 在真实移动硬件上评估所提方案的性能，以验证其实际可行性和效率。

提出的方法

• 对每个256位数据单元仅加密其中12.5%（即32位）作为敏感分片，采用选择性加密（SE）以降低计算负载。
• 对每个256位数据单元使用SHA-256哈希生成公开分片，实现完整性验证，而无需暴露敏感数据。
• 将生成的加密私有分片和公开哈希分片分散存储于多个云服务器，防止数据被重构。
• 将私有分片存储在用户可信的智能手机上，并作为访问控制与解密的中心节点。
• 利用移动边缘计算，在数据外包至云之前，于智能手机上完成加密与哈希运算。
• 采用AES-128加密与CBC模式，SHA-256哈希，并通过现代智能手机上的ARMv8加密扩展进行优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 当云存储和加密密钥均被攻破时，以用户为中心的数据保护方案是否仍能确保EHR隐私？
• RQ2 与标准全加密方法相比，选择性加密结合分片与分散存储如何提升MCPS中的安全性？
• RQ3 与移动平台上的全AES-128加密相比，所提方案的性能开销如何？
• RQ4 所提方法是否能在保证强隐私保障的同时，具备足够的效率以支持实时医疗数据共享？
• RQ5 在去中心化的云式MCPS环境中，系统如何确保终端用户对数据访问与共享的控制权？

主要发现

• 所提出的SE方案在搭载A11处理器的iPhone 8 Plus上实现了2.2 GB/s的数据处理速度，优于AES-128 CBC模式基线。
• 由于每区块仅加密12.5%的数据，SE方法的处理速度约为全AES-128加密的2.3倍。
• 即使加密密钥和公开分片均被泄露，系统仍能确保数据机密性，因为私有分片在无密钥情况下无法恢复。
• 性能评估证实该算法高效且适用于移动边缘设备，具备在实时MCPS应用中部署的可行性。
• ARMv8加密扩展显著加速了AES-128与SHA-256运算，提升了现代智能手机上的整体系统性能。
• 该方案成功实现了数据保护与密钥安全的解耦，增强了对密钥泄露和第三方数据挖掘的抗性。