[论文解读] A Lightweight Blockchain and Fog-enabled Secure Remote Patient Monitoring System

Omar Cheikhrouhou, Khaleel Mershad+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2023

IoT and Edge/Fog Computing被引用 9

一句话总结

该论文提出了一个三层的物联网–边缘计算–云端远程健康监护系统，使用轻量级区块链和面向边缘的共识机制，以提高资源受限的医疗物联网设备的安全性、隐私性和响应能力。

ABSTRACT

IoT has enabled the rapid growth of smart remote healthcare applications. These IoT-based remote healthcare applications deliver fast and preventive medical services to patients at risk or with chronic diseases. However, ensuring data security and patient privacy while exchanging sensitive medical data among medical IoT devices is still a significant concern in remote healthcare applications. Altered or corrupted medical data may cause wrong treatment and create grave health issues for patients. Moreover, current remote medical applications' efficiency and response time need to be addressed and improved. Considering the need for secure and efficient patient care, this paper proposes a lightweight Blockchain-based and Fog-enabled remote patient monitoring system that provides a high level of security and efficient response time. Simulation results and security analysis show that the proposed lightweight blockchain architecture fits the resource-constrained IoT devices well and is secure against attacks. Moreover, the augmentation of Fog computing improved the responsiveness of the remote patient monitoring system by 40%.

研究动机与目标

• 解决 IoT 医疗系统中远程患者监护数据的安全性和隐私性。
• 降低实时健康监测的延迟并提高响应能力。
• 通过轻量级架构和 fog 计算使 IoT 设备参与区块链。
• 提供以患者为中心的数据管理框架，并通过智能合约实现访问控制。

提出的方法

• 引入三层 RPM 架构（IoT、fog、cloud）来收集、处理和存储健康数据。
• 设计一个轻量级区块链，其中 IoT 网关存储本地区块，云服务器存储完整区块，IoT 设备保存区块头。
• 提出一个轻量级共识协议，云服务器按轮换顺序生成区块并在添加区块之前达到多数确认。
• 将 fog 计算作为托管本地区块链并处理数据聚合与实时警报的边缘层实现。
• 使用智能合约实现访问控制、数据共享同意，以及在异常健康事件中的自动通知。
• 通过采用为 fog-cloud 协作改编的轻量级基于位置的共识来排除 PoW/PoS。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在分布在 IoT 网关、fog 节点和 cloud 服务器的轻量级区块链中，安全地管理 RPM 数据？
• RQ2 引入 fog 层对远程患者监护系统的响应性和安全性有何影响？
• RQ3 在不耗尽有限资源的情况下，IoT 设备是否能够参与区块链操作？
• RQ4 智能合约如何在多节点 RPM 环境中执行以患者为中心的数据访问和同意？

主要发现

• 该系统整合 IoT、fog computing 和 blockchain，提供安全、私密且可审计的 RPM 数据管理。
• Fog computing 提高了响应能力，通过实现实时处理和本地聚合再到云存储。
• 一种轻量级区块链体系结构实现存储分布：IoT 网关保存本地区块和头部数据，云服务器存储完整区块，IoT 设备存储区块头。
• 具有多数确认的轮换云服务器共识机制在不需要传统 PoW/PoS 开销的情况下验证新区块。
• 智能合约实现以患者为中心的访问控制和在异常条件下的自动警报。
• 摘要报告了仿真结果和安全分析，表明该架构适用于资源受限的 IoT 设备，并将响应能力提高了 40%。