[论文解读] IoT-Based Secure Embedded Scheme for Insulin Pump Data Acquisition and Monitoring

Zeyad Al‐Odat, Sudarshan K. Srinivasan+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2018

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 9被引用 12

一句话总结

本文提出了一种基于物联网的嵌入式系统，采用Keil LPC1768微控制器安全获取并监控胰岛素泵数据，通过SHA-256哈希算法确保数据完整性和真实性。该系统通过哈希比对验证云端与患者端记录间的数据一致性，检测任何篡改行为，并确保向输注泵传输命令的安全性。

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.

研究动机与目标

• 通过实施轻量级、基于硬件的认证机制，解决胰岛素泵数据传输与存储中的安全漏洞。
• 确保数据完整性，防止在基于云的传输过程中对患者健康记录进行未经授权的修改。
• 利用嵌入式系统作为胰岛素泵与云端之间的抽象层，实现实时、安全的糖尿病相关数据监控。
• 通过在真实世界测试环境中进行密码学哈希验证，验证系统检测数据篡改的能力。
• 在保持端到端安全性的前提下，支持未来患者对胰岛素输注时间表的自主控制。

提出的方法

• Keil LPC1768微控制器作为Alaris 8100胰岛素泵与云端之间的嵌入式硬件抽象层。
• 患者健康数据（包括血糖水平和医疗档案）在传输前使用SHA-256密码学哈希函数进行收集与保护。
• 每条数据记录均使用SHA-256哈希值进行数字签名，并附加到数据包中以供完整性验证。
• 接收到数据后，患者端系统重新计算SHA-256哈希值，并与传输的哈希值进行比对；不匹配值表明存在篡改行为。
• 从医院发送至泵的控制命令同样使用SHA-256签名，并由微控制器在执行前进行验证。
• 系统利用Cortex-M3处理器的故障异常处理机制，在数据处理过程中检测并响应硬件级错误。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在保留数据完整性的同时，通过嵌入式系统安全地中介胰岛素泵与云端之间的数据交换？
• RQ2 SHA-256哈希在多大程度上能够检测到传输过程中对患者健康记录的未经授权修改？
• RQ3 像Keil LPC1768这样的低功耗微控制器是否能在实时医疗物联网环境中有效实施密码学认证？
• RQ4 该系统如何确保只有经过认证且未被篡改的控制命令才会被胰岛素泵执行？
• RQ5 在使用实际医疗设备的真实世界测试环境中，所提出方案在检测数据篡改方面的有效性如何？

主要发现

• 通过比对云端与患者端系统的SHA-256哈希值，系统成功检测到数据篡改，哈希值不匹配表明数据被修改。
• 在表I中，云端与患者端均显示相同的SHA-256哈希值（14b93acf-ccdcbe40-ea3795be-c1073498-51a96c90-6cedfc9c-49d8e2cf-a141befb），证实了数据完整性。
• 在表II中，患者端出现不匹配的哈希值（358c4f29-f0e2bb60-8efa35d4-a88a6b3b-58939ffd-deebf824-8065c195-b834b8cd），表明数据被修改，系统正确识别并丢弃了该数据。
• Keil LPC1768微控制器通过重新计算并比对SHA-256值，成功验证了控制命令的真实性，确保仅有效命令被传递至输注泵。
• 系统在24小时血糖监测周期的实际数据上实现了实时完整性验证，确认了数据处理的一致性与安全性。
• 与计算辅助系统与技术中心的集成提供了经验证的云基础设施用于测试，证实了该方案在类生产环境中的可行性。