[论文解读] Attribute-based Multi-Signature and Encryption for EHR Management: A Blockchain-based Solution

Hao Guo, Wanxin Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2020

Cryptography and Data Security参考文献 14被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于区块链-边缘计算混合架构的电子健康记录（EHR）安全管理方案，采用基于属性的多签名（ABMS）实现患者匿名认证，并利用多权威机构基于属性的加密（ABE）实现细粒度访问控制。系统将认证与访问事件日志记录在Hyperledger Fabric区块链上，同时将加密后的EHR数据存储于边缘节点，实现每项属性32毫秒的签名时间与243毫秒的验证时间，且在9项属性范围内具有线性可扩展性。

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.

研究动机与目标

• 解决在保障EHR数据安全的同时，实现医疗提供方便利的细粒度、隐私保护访问的挑战。
• 通过使用基于属性的签名而非基于身份的签名，防止在公共区块链中暴露患者身份与敏感信息。
• 通过将大型EHR数据（如医学影像）卸载至边缘节点，克服区块链存储容量限制。
• 通过不可篡改的区块链日志记录，确保EHR访问事件的可问责性与可追溯性。
• 评估ABMS签名与验证在不同属性长度与数量下的性能表现。

提出的方法

• 系统采用混合架构，利用Hyperledger Fabric区块链记录认证与访问事件，利用边缘节点存储经ABE加密的EHR数据。
• 基于Hyperledger Ursa的BLS签名方案实现基于属性的多签名（ABMS），支持患者匿名且基于属性的认证。
• 采用多权威机构基于属性的加密（CP-ABE）对边缘节点上的EHR数据进行加密，仅允许具备合格属性的用户访问。
• Hyperledger Fabric上的智能合约强制执行访问策略，在ABMS验证成功后返回一次性自毁型URL以访问EHR数据。
• 系统通过1ty.me服务使用一次性URL安全共享EHR访问链接，链接仅可使用一次即失效。
• 性能评估测量ABMS在不同属性长度与数量下的签名与验证时间，并将结果记录在区块链上。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在EHR系统中实现患者身份认证，同时不暴露其敏感个人信息？
• RQ2 在跨多个属性扩展时，基于属性的多签名方案的性能开销如何？
• RQ3 混合区块链-边缘计算架构能否在EHR管理中有效平衡数据隐私、访问控制与系统可扩展性？
• RQ4 该系统如何确保仅具备相应属性的授权医疗提供方可访问EHR？
• RQ5 在真实部署场景中，认证与EHR访问工作流的端到端延迟是多少？

主要发现

• ABMS签名时间保持恒定，约为32毫秒，与属性长度无关，表明其对数据大小不敏感。
• ABMS每项属性的平均验证时间为243毫秒，且随属性数量线性增长，原因在于需执行多次双线性对运算。
• 总验证时间随属性数量线性增长，9项属性的签名验证时间约为单属性签名的9倍。
• 系统成功将患者认证与EHR访问事件作为不可篡改的交易记录在Hyperledger Fabric区块链上。
• 一次性自毁型URL的使用确保EHR访问链接仅能使用一次，显著增强数据保密性。
• ABMS与ABE结合区块链与边缘存储，实现了安全、可追溯且细粒度的EHR访问，同时保护了患者隐私。