基于区块链的医疗供应链数据隐私保护分布式信息隐藏框架
Blockchain-Based Distributed Information Hiding Framework for Data Privacy Preserving in Medical Supply Chain Systems
- 導論
- 相關(guān)研究動向
- 背景
- 區(qū)塊鏈
- 關(guān)鍵物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)
- 信息隱藏技術(shù)（IHT）
- 物聯(lián)網(wǎng)和醫(yī)療供應鏈安全的現(xiàn)有解決方案
- 提出的基于區(qū)塊鏈的IHT關(guān)鍵物聯(lián)網(wǎng)安全框架
- 概述
- 擬議系統(tǒng)的方法
- 集群預選階段
- 哈希密鑰注冊階段
- 分析與討論
- 分析
- 討論&開放性研究
- 總結(jié)
- 參考文獻（本文出現(xiàn)的部分）
| 醫(yī)療供應鏈通信網(wǎng)絡產(chǎn)生關(guān)鍵信息和數(shù)據(jù)。特別是在新冠肺炎時代，醫(yī)療服務提供者之間正在共享有關(guān)醫(yī)療供應鏈的內(nèi)部個人和私人信息。近年來，由于醫(yī)療供應鏈通信網(wǎng)絡缺乏安全措施，多次發(fā)生網(wǎng)絡攻擊事件。由于計算能力和各種惡意使用的算法，網(wǎng)絡攻擊變得更便宜、更容易，在這個時代，安全性和數(shù)據(jù)隱私要求更嚴格、更高的措施。另一方面，信息隱藏技術(shù)(Information Hiding Techniques, IHT)利用各種先進的方法來隱藏敏感信息，使其不被惡意節(jié)點披露。此外，在區(qū)塊鏈的支持下，IHT可以帶來更高的安全性和所需的隱私級別。本文提出了利用信息隱藏技術(shù)實現(xiàn)區(qū)塊鏈和智能合約，以增強智能醫(yī)療供應鏈通信網(wǎng)絡等關(guān)鍵系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信的安全性和私密性。結(jié)果表明了該框架使用超級賬本的智能合約的可行性和所期望的安全級別。 |
| MDPI-Sensors | Q1 | SCIE |
導論
關(guān)鍵物聯(lián)網(wǎng)解決了對時間和數(shù)據(jù)至關(guān)重要的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)要求更高的安全級別，并處理高度機密的信息。智能醫(yī)療供應鏈通信網(wǎng)絡生成各種私人醫(yī)療數(shù)據(jù)，包括關(guān)于患者及其病史的個人信息，這使其成為關(guān)鍵的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一部分。此外，醫(yī)療保健提供者彼此之間交流有關(guān)其供應的敏感信息，特別是在COVID - 19時代，醫(yī)院有義務共享其儲備的醫(yī)療用品，并遵循疫苗的供應鏈信息。在電子健康記錄(EHR)系統(tǒng)之后，根據(jù)健康信息交換法案(HIE)，鼓勵醫(yī)療保健提供者彼此分享他們的大部分病人信息，以幫助改善醫(yī)院提供的服務。患者健康信息(PHI)和供應鏈信息面臨數(shù)據(jù)泄露和被盜的高風險。網(wǎng)絡罪犯可以很容易地將目標鎖定在通信渠道或包含數(shù)百萬患者個性化數(shù)據(jù)和歷史記錄的數(shù)據(jù)庫上。2014年，社區(qū)衛(wèi)生系統(tǒng)(CHS)成為“心臟出血”攻擊的目標，使450多萬患者的數(shù)據(jù)和信息暴露損失慘重。醫(yī)療保健數(shù)據(jù)大多存儲在本地數(shù)據(jù)庫或基于云的數(shù)據(jù)庫中，在這兩種情況下，它們都需要針對任何可能的攻擊提供更高的保護。不過，醫(yī)院和醫(yī)療保健提供商在技術(shù)支持和安全選項上的投資似乎要少得多。更不用說移動醫(yī)療系統(tǒng)的快速發(fā)展，患者可以通過平板電腦或智能手機直接訪問自己的數(shù)據(jù)，2015年中國移動醫(yī)療市場規(guī)模達到29億元的峰值，這表明對移動醫(yī)療的高度依賴，以及將其部署到患者訪問EHR等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的情況。此外，患者自己也可以通過不受保護的通道和不加密的方式來泄露他們的數(shù)據(jù)。
包括醫(yī)療保健提供商在內(nèi)的關(guān)鍵物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)必須在保持所需數(shù)據(jù)通信速度的同時提高其安全性，為了實現(xiàn)這一目標，多種技術(shù)已經(jīng)研究了各種增強數(shù)據(jù)安全性和隱私性的技術(shù)，包括區(qū)塊鏈、密集加密方法等。其中最有前途的方法是信息隱藏技術(shù)(IHT)。信息隱藏技術(shù)是將數(shù)據(jù)插入到另一個數(shù)據(jù)中，以迷惑竊聽者和網(wǎng)絡攻擊者。大多數(shù)信息隱藏技術(shù)的應用都用于版權(quán)保護、在不安全的通信通道上保護數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)操作檢測。
在本文中，我們部署了一種改進的隱寫方法，包括以另一種形式的數(shù)據(jù)(如文本或圖像)隱藏所需的信息。我們實現(xiàn)區(qū)塊鏈，以及創(chuàng)建一個預先經(jīng)過身份驗證和誠實的醫(yī)療保健提供商集群，以在限制竊聽者風險的同時安全地彼此通信。智能合約也被用來自動生成一個只有區(qū)塊鏈集群的參與者才能知道的一次性密鑰，以增強通信的私密性。在我們提議的框架中，需要通信的消息或數(shù)據(jù)應該用其他輔助文本消息加密，這些消息以消息塊的形式對發(fā)送方和接收方都是無用的。
本文的主要貢獻可以總結(jié)如下:
- 我們部署了一種改進版的隱寫術(shù)技術(shù)，將需要通信的信息和信息加密成另一個輔助信息，以增強通信的醫(yī)療供應鏈信息的隱私性和安全性，防范任何可能的網(wǎng)絡攻擊。
- 我們部署區(qū)塊鏈技術(shù)來創(chuàng)建一個安全的、私有的預認證醫(yī)療保健提供商集群。只有包含在集群中的節(jié)點才能參與通信，查看接收到的消息，并解密所需的塊，而忽略輔助塊
- 最后，在我們提出的框架中實現(xiàn)智能合約，自動生成一次性密鑰，并在相關(guān)方之間安全地分發(fā)密鑰。密匙隨著每次新的通信初始化而改變，消除了網(wǎng)絡攻擊者擁有密匙解密信息的風險，從而增強了智能醫(yī)療等關(guān)鍵系統(tǒng)的安全性和私密性。
本文的其余部分組織如下: 第二部分詳細介紹了區(qū)塊鏈、IIoT系統(tǒng)、信息隱藏技術(shù)等已部署技術(shù)的背景研究。在第3節(jié)中，我們提出了基于區(qū)塊鏈的IHT框架，并使用一種方法來解釋我們的概念。而第4節(jié)以廣泛的系統(tǒng)分析和結(jié)果支持我們提出的框架。最后，我們在第5節(jié)總結(jié)了這項工作。
相關(guān)研究動向
網(wǎng)絡的最新發(fā)展和計算算法的快速速度使得惡意節(jié)點更容易使用勒索軟件和其他網(wǎng)絡攻擊攻擊工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，從而癱瘓工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡和智能保理。在本節(jié)中，我們首先討論了本文的關(guān)鍵技術(shù)，包括區(qū)塊鏈技術(shù)、IIoT系統(tǒng)和信息隱藏技術(shù)。
背景
為了為關(guān)鍵的物聯(lián)網(wǎng)提供安全的數(shù)據(jù)通信，可以使用幾種技術(shù)和解決方案，我們在相關(guān)的工作部分討論了一些可能的解決方案。然而，在本文中，我們提出了將區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)安全系統(tǒng)融合，在經(jīng)典信道上實現(xiàn)多層私有安全通信。為此，在本節(jié)中，我們將定義已部署的技術(shù)
區(qū)塊鏈
區(qū)塊鏈是一種去中心化技術(shù)，它使用公鑰加密來提供身份認證，并記錄P2P網(wǎng)絡中每個身份的每一筆交易，一旦交易完成，就不可撤銷。網(wǎng)絡中的每個節(jié)點記錄其所在的分布式網(wǎng)絡的所有交易信息，并按時間順序打包成塊。每個新區(qū)塊都被打上時間戳，并按照嚴格的時間順序進行，區(qū)塊連接在一個不可逆的鏈中。區(qū)塊鏈中的每個塊都包含了前一個塊的哈希值，如果網(wǎng)絡攻擊者想要篡改區(qū)塊鏈中的信息，則需要篡改該塊之后的所有新塊。區(qū)塊鏈采用單向哈希算法，可以很容易地跟蹤區(qū)塊鏈中的任何黑客和篡改數(shù)據(jù)信息的企圖。區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的節(jié)點處于分散、分布式的P2P網(wǎng)絡中，廣播消息到達節(jié)點的時間不同。攻擊者可以利用這一延遲在更快的單播通信中向鄰近節(jié)點傳遞假消息，區(qū)塊鏈系統(tǒng)提供了一種共識機制來避免這一問題。我們希望共識機制能夠為分布式網(wǎng)絡中的所有節(jié)點提供足夠的可信性。網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都可以向其他節(jié)點發(fā)布信息。當網(wǎng)絡中其他節(jié)點收到一個通過共識機制認證的節(jié)點發(fā)出的廣播時，我們認為該消息是可信的、未偽造的信息，并將該信息打包成一個新的塊，添加到當前的區(qū)塊鏈鏈中。分散系統(tǒng)中的共識節(jié)點是自利的，其利益最大化是它們參與數(shù)據(jù)驗證或記賬的根本目標。區(qū)塊鏈系統(tǒng)對完成共識機制的節(jié)點進行獎勵，確保網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都愿意參與共識機制下的數(shù)據(jù)驗證。公共區(qū)塊鏈是一個最普遍的區(qū)塊鏈，網(wǎng)絡中的任何節(jié)點都可以訪問并參與到共識機制中。在公共的區(qū)塊鏈中，只要節(jié)點完成了共識機制的算法要求，就可以將其記錄的數(shù)據(jù)添加到區(qū)塊鏈中，獲得相應的經(jīng)濟獎勵。基于公共區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡可以被看作是完全去中心化的，因此在網(wǎng)絡中有更多的邪惡節(jié)點。公共區(qū)塊鏈通過加密經(jīng)濟學確保數(shù)據(jù)的可靠性和安全性，通常使用加密驗證結(jié)合共識機制(如工作證明或所有權(quán)證明)來確保可信訪問。
關(guān)鍵物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)
物聯(lián)網(wǎng)面臨著一些挑戰(zhàn)，如無法證明自身清白的集中管理結(jié)構(gòu);隨著物聯(lián)網(wǎng)設備的幾何增長，未來的集中式結(jié)構(gòu)無法承受如此龐大的數(shù)據(jù)連接。此外，物聯(lián)網(wǎng)在很大程度上是運營商和企業(yè)內(nèi)部的自組織網(wǎng)絡。當涉及到多個運營商和同行之間的合作時，建立信用的成本很高。區(qū)塊鏈多中心、弱集中的特點將降低集中式架構(gòu)的高運行成本、信息加密、安全通信的特點將有助于保護隱私和身份權(quán)限管理和多邊共識有助于識別非法節(jié)點并及時防止惡意節(jié)點訪問,依靠鏈式結(jié)構(gòu)將有助于建立一個卡可以追溯到絲毫電子證據(jù)的存在,分布式架構(gòu)和點對點特性有助于打破物聯(lián)網(wǎng)中存在的多個信息孤島的束縛，促進信息的橫向流動和多方協(xié)作。
物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)(IoT System)是一種全球性的分布式網(wǎng)絡系統(tǒng)，是指設備之間通過Internet進行連接和通信的網(wǎng)絡技術(shù)。擁有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設備有時會通過傳感器收集數(shù)據(jù)，并與其他設備共享，以創(chuàng)造有價值的數(shù)據(jù)和結(jié)果。可以滿足的代表性物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有智能家居、健康監(jiān)測和室內(nèi)定位。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的一個子類，指的是在工業(yè)領(lǐng)域使用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。該技術(shù)應用范圍廣，如工廠、電廠等，用于智能物流、遠程維護、智能工廠等。由于是在工業(yè)現(xiàn)場使用，整體規(guī)模較大，所以存在傳感器規(guī)模，其移動性較弱。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)使用物聯(lián)網(wǎng)的基本技術(shù)。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，有線/無線設備被大規(guī)模連接和使用，這包括傳感器和移動通信或Wi-Fi網(wǎng)絡。每個設備通過傳感器與用戶通信，然后通過網(wǎng)絡將此通信信息傳輸?shù)皆啤?shù)據(jù)存儲在用戶附近的地方稱為邊，因為數(shù)據(jù)通過這個地方在網(wǎng)絡上共享，所以稱為邊網(wǎng)絡和邊計算。云/邊緣計算的簡化結(jié)構(gòu)是一張圖片。與云計算需要從網(wǎng)絡到云的數(shù)據(jù)相比，數(shù)據(jù)存儲和提供在中間的邊緣，可以更快地響應用戶。
信息隱藏技術(shù)（IHT）
先進的安全方法和解決方案，如密碼學和數(shù)據(jù)隱藏，以保護關(guān)鍵信息免受網(wǎng)絡威脅。密碼學的密鑰用法是將純文本轉(zhuǎn)換成沒有密鑰就無法理解或破譯的密文。
另一方面，信息隱藏技術(shù)將關(guān)鍵信息和數(shù)據(jù)隱藏在另一種形式的數(shù)據(jù)中，如文本或圖像，確保文檔不受水印的影響。信息隱藏技術(shù)和密碼技術(shù)都可以用來保護信息。然而，它們并不十分相似。信息隱藏主要有兩大類，最著名的是隱寫術(shù)和水印。隱寫術(shù)用于以其他數(shù)據(jù)的不同形式隱藏數(shù)據(jù)，例如媒體或文本。而水印則被定義為數(shù)據(jù)隱藏的過程。
物聯(lián)網(wǎng)和醫(yī)療供應鏈安全的現(xiàn)有解決方案
微型、低成本傳感器和高帶寬無線網(wǎng)絡的出現(xiàn)，意味著現(xiàn)在即使是最小的設備也可以通過一定程度的數(shù)字智能連接起來。他們被監(jiān)視和跟蹤，他們的狀態(tài)數(shù)據(jù)被共享，他們與其他設備通信。然后可以收集和分析所有這些數(shù)據(jù)，以提高業(yè)務流程的效率。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)不應與消費者物聯(lián)網(wǎng)相混淆，但消費者物聯(lián)網(wǎng)的核心概念與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相同，利用傳感器和自動化來提高效率。如果將物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)行業(yè)中的應用抽象起來，可以歸納為四個層次:數(shù)據(jù)采集與顯示、基礎數(shù)據(jù)分析與管理、深度數(shù)據(jù)分析與應用、工業(yè)控制。表1總結(jié)了定量研究的要點。
Sengupta等人[14]根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的四個層次，梳理出了安全威脅和相應的解決方案，以及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中針對不同目標的各種網(wǎng)絡攻擊和基于區(qū)塊鏈的解決方案。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的安全目標可以大致分為基礎設施安全、認證與信任協(xié)議、認證方式、安全的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、傳統(tǒng)的攻擊防范策略。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)更加注重企業(yè)之間有限而具體的信息的收集與共享。在傳統(tǒng)的供應鏈中，新訂單通過傳真或快遞郵件發(fā)送給供應商。與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，供應鏈可以部署為資源交互的免提網(wǎng)絡，其中供應鏈中的每個傳感器都是自動化的，為供應鏈中涉及產(chǎn)品生產(chǎn)和分銷的一系列流程提供自動化。
Wen et al.[15]提出，為了保證傳感器采集數(shù)據(jù)時數(shù)據(jù)不泄露，將通過智能合約在網(wǎng)絡中實時存儲IIoT設備的監(jiān)控和記錄，將IIoT設備升級到區(qū)塊鏈。
Iqbal等人提出了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈如何在工業(yè)過程中協(xié)同工作，以實時解決安全問題。它還設計了IIoT和區(qū)塊鏈的安全需求，并描述了如何將IIoT集成到區(qū)塊鏈中用于智能工業(yè)應用。DEMATEL方法被用于計算工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在行業(yè)中面臨的經(jīng)濟挑戰(zhàn)，并通過區(qū)塊鏈因素來解決基礎設施設計和部署的成本。
Zhao et al.[17]將區(qū)塊鏈節(jié)點分為full node (FN)和light node (LN)。FN可以下載和檢查所有的塊和事務，并可以作為挖掘節(jié)點為區(qū)塊鏈創(chuàng)建塊。由于資源的限制，LN可以在區(qū)塊鏈上存儲和處理部分數(shù)據(jù)。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，LN參與節(jié)點之間傳播的新交易，并可以被添加到區(qū)塊鏈的一個塊中。該框架在很大程度上結(jié)合了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的可伸縮性需求和海量數(shù)據(jù)處理的運行模型。
Yu等人的[18]研究表明，為了滿足智能工廠數(shù)據(jù)的安全存儲、訪問控制、信息更新和刪除以及惡意用戶跟蹤和注銷的需求，作者設計了基于區(qū)塊鏈的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享機制。通過使用區(qū)塊鏈支持身份認證和可追溯性，增強了智能工廠數(shù)據(jù)在云中的安全存儲和共享。該機制具有密鑰量小、運行效率高、能抵抗合謀密鑰攻擊等優(yōu)點。
Wu等人[19]提出利用區(qū)塊鏈結(jié)合邊緣計算解決現(xiàn)有工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的可擴展性和數(shù)據(jù)安全問題。邊緣計算為區(qū)塊鏈提供了新的節(jié)點部署選項。區(qū)塊鏈部署在邊緣計算節(jié)點上，便于數(shù)據(jù)對接，傳輸路徑可控，緩解帶寬壓力，提高實時傳輸，整合運營商開發(fā)能力，提升IIoT整體運營效率。此外，區(qū)塊鏈可以促進不同邊緣節(jié)點之間的協(xié)調(diào)與同步，幫助建立邊緣計算系統(tǒng)和防偽存儲支撐資源的完整性保障，促進終端、數(shù)據(jù)、能力的開放共享，為垂直行業(yè)提供可信服務。
Liu等人提出了基于區(qū)塊鏈的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的性能優(yōu)化框架，以優(yōu)化可伸縮性/吞吐量，同時考慮系統(tǒng)去中心化、安全性和延遲。為了應對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)性和復雜性特點，采用DRL進行深度強化學習，有效地處理海量數(shù)據(jù)。該框架可在確保工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全的同時提高運營效率。根據(jù)所提出的區(qū)塊鏈系統(tǒng)性能定量測量系統(tǒng)，對每個區(qū)塊生產(chǎn)者和共識算法進行評估，并通過DRL技術(shù)調(diào)整區(qū)塊大小和區(qū)塊間隔，使區(qū)塊鏈系統(tǒng)的鏈上交易吞吐量最大化。
Guan等[21]將能源交易模型分為兩層，即BC-ETS，這是一個基于區(qū)塊鏈的能源交易解決方案，在保護隱私的同時兼顧電力供需。此外，為了適應能源互聯(lián)網(wǎng)中底層物聯(lián)網(wǎng)設備相對較弱的計算能力，提出了基于誠信的公平的證明機制設計大大提高了系統(tǒng)的可用性。BC-ETS不僅滿足安全要求，還為能源交易解決方案提供高性能。
Ghadge等人[24]定義了傳統(tǒng)的供應鏈風險，總結(jié)了組織如何在供應鏈中管理網(wǎng)絡風險。從網(wǎng)絡風險類型;網(wǎng)絡傳播風險;網(wǎng)絡風險滲透點;網(wǎng)絡安全挑戰(zhàn)和緩解措施，使用基于連接的聚類來識別和驗證指導并告知分析。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)被用來為全面的、可復制的和透明的審查建立模型。基于數(shù)據(jù)挖掘的互補聚類分析為供應鏈網(wǎng)絡風險的第一個SLR的實施提供了透明度和嚴密性。
Helo和Hao[25]開發(fā)了一個基于區(qū)塊鏈的物流監(jiān)控系統(tǒng)(BLMS)的原型。在這個BLMS中，通過區(qū)塊鏈解決方案收集和共享邏輯數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的功能使客戶和物流運營商與所有其他合作伙伴能夠在整個生態(tài)系統(tǒng)中跟蹤和跟蹤他們的數(shù)據(jù)，并從系統(tǒng)中獲取他們自己的數(shù)據(jù)信息。強調(diào)了區(qū)塊鏈應用在供應鏈系統(tǒng)中的高可用性和安全性。
Bhaskar et al.[26]指出，當前的COVID-19大流行暴露了各機構(gòu)的供應鏈和應對能力。全球醫(yī)療供應鏈系統(tǒng)需要大規(guī)模、開放和創(chuàng)新的方法，在緊急情況和長期需求中緩沖系統(tǒng)，并確保基本衛(wèi)生保健供應的連續(xù)性和衛(wèi)生保健系統(tǒng)的彈性。可以使用區(qū)塊鏈等技術(shù)作為驅(qū)動因素，進一步提高運營效率。
Musamih et al.[27]研究了藥品供應鏈中藥品追溯的挑戰(zhàn)，并強調(diào)了其重要性，特別是對防偽藥品而言。他們在基于區(qū)塊鏈的平臺藥物供應鏈上開發(fā)并評估了一種以去中心化方式跟蹤和跟蹤藥物的解決方案。他們提出的解決方案利用區(qū)塊鏈技術(shù)的加密基礎，實現(xiàn)供應鏈和以太坊區(qū)塊鏈智能合約事件的防篡改記錄，從而實現(xiàn)所有參與利益相關(guān)者可訪問的事件的自動記錄。主要目標是交易數(shù)據(jù)的完整性、可用性和不可否認性，這在復雜的多方環(huán)境(如藥品供應鏈)中至關(guān)重要。
Carmody等人的[28]解決了在醫(yī)療保健技術(shù)的各個軟件組件中被利用的漏洞。在醫(yī)療保健技術(shù)中包含第三方軟件組件的風險可以部分地通過使用軟件材料清單(software Bill of Materials, SBOM)來管理。SBOM提供了一種透明的機制來確保軟件產(chǎn)品供應鏈的安全，可以更快地識別和修復漏洞，從而達到減少攻擊可行性的目的。SBOM有潛力使醫(yī)療技術(shù)的所有供應鏈利益相關(guān)者受益，而不會顯著增加軟件生產(chǎn)成本。
Garcia-Villarreal等人[29]調(diào)查了現(xiàn)有的供應鏈管理文獻，并對關(guān)鍵成功因素(CSF)的工作和醫(yī)療技術(shù)的部門重點進行了分類。分為(1)銷售和運營計劃，(2)產(chǎn)品開發(fā)過程，(3)質(zhì)量和合規(guī)，(4)采購策略，(5)客戶關(guān)系管理，(6)生產(chǎn)系統(tǒng)。本研究的結(jié)果表明，這些CSF的組合可使原始設備制造商在醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域的表現(xiàn)更好。強調(diào)供應鏈管理成功的突出因素，這些因素在以往的研究中尚未得到充分認識，特別是:質(zhì)量和合規(guī)、產(chǎn)品開發(fā)過程和生產(chǎn)系統(tǒng)。供應鏈改進不是要實施孤立的項目，而是要謹慎地選擇適當和有針對性的措施，以更有效地分配資源
Pandey et al.[30]指出，網(wǎng)絡物理系統(tǒng)(CPS)漏洞對網(wǎng)絡安全的影響主要集中在CPS漏洞上。基于信息流向上和向下的供應鏈，作者試圖確定全球供應鏈中的網(wǎng)絡安全風險。從戰(zhàn)略角度對這些網(wǎng)絡安全風險進行了進一步的分類。提出了全球供應鏈網(wǎng)絡安全風險和網(wǎng)絡攻擊的概念模型。這些風險可以通過實證研究進一步驗證和放大。從管理的角度來看，該框架可以作為一個決策過程，同時考慮全球化供應鏈所有階段的不同網(wǎng)絡安全風險。
提出的基于區(qū)塊鏈的IHT關(guān)鍵物聯(lián)網(wǎng)安全框架
本文的主要貢獻包括物聯(lián)網(wǎng)設備層和云層之間數(shù)據(jù)通信的絕對安全。在這種情況下，我們認為醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)設備是一個關(guān)鍵環(huán)境。醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)保存敏感數(shù)據(jù)，包括患者個人信息，如姓名、病史等。此外，該數(shù)據(jù)還保存了醫(yī)院和實驗室的研究信息和數(shù)據(jù)，如藥物發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)需要在云層中計算和處理。因此，醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)層與云層之間的通信需要高度安全。
概述
如圖1所示，他提出基于區(qū)塊鏈的IHT框架可以分為四個主要層:(1)醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)設備層，(2)邊緣層，(3)霧層，(4)云層。在本節(jié)中，我們將詳細討論每一層的角色。
醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)設備層:醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)設備層產(chǎn)生各種異構(gòu)信息，具有較高的安全性。對于本案例研究，我們選擇保護的數(shù)據(jù)類型是醫(yī)院和實驗室研究數(shù)據(jù)，例如藥物發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)和患者信息。醫(yī)院是一般醫(yī)院，醫(yī)學實驗室專門在云服務器上處理大量數(shù)據(jù)，以找到他們想要的結(jié)果，例如，藥物發(fā)現(xiàn)實驗室可能會使用患者的個人病史和信息來進行實驗。這些信息通常通過經(jīng)典通道和基本加密方法從實驗室傳輸?shù)皆品掌鳌Ｔ谶吘墝?#xff0c;我們實現(xiàn)了一個私有的區(qū)塊鏈分類帳，用于身份驗證和安全的集群選擇。Base station扮演著區(qū)塊鏈管理器的角色，它必須驗證身份、認證用戶，并將誠實用戶注冊到分類帳中，以實現(xiàn)未來更快的身份驗證機制。設備用戶和其各自的云服務器也必須注冊到區(qū)塊鏈，他們同意一個唯一的哈希密鑰，哈希密鑰將存儲到區(qū)塊鏈進一步加密。我們將在下一節(jié)中詳細討論這個階段。霧層在設備用戶和云服務器之間產(chǎn)生智能合約。智能合約部署前面討論的哈希密鑰，以加密信息。此外，秘密信息和輔助比特也被加密，以在網(wǎng)絡攻擊時迷惑攻擊者，從而使攻擊者無法區(qū)分真實信息和輔助編碼信息。在云層中有幾個分布式云服務器。它們的作用是在使用之前商定的散列密鑰解密后處理接收到的信息。哈希鍵隨著每一輪通信而改變，使其成為一次性哈希，從而增強了數(shù)據(jù)的安全性和私密性。
擬議系統(tǒng)的方法
在我們提出的框架中，我們考慮了一個新的節(jié)點(醫(yī)院、實驗室)請求加入基于區(qū)塊鏈的系統(tǒng)，并與其他節(jié)點共享和接收信息的場景。在這個場景中，我們將案例研究分為三個主要階段。
第一個是選擇一個安全集群，只有經(jīng)過預先認證和驗證的醫(yī)療保健提供商節(jié)點才能加入安全網(wǎng)絡，共享信息并相互通信，這一階段是使用區(qū)塊鏈私有賬本和PBFT算法實現(xiàn)的，該算法使用之前認證的和誠實的節(jié)點來驗證和驗證新的節(jié)點。第二階段是密鑰哈希和注冊階段，在此階段中，前一階段的所有預認證節(jié)點都必須就一個密鑰達成一致，以便在通信期間使用該密鑰、對其進行哈希并在彼此之間安全地傳播該密鑰。請注意，每次通信會話初始化時，密鑰都會發(fā)生變化，這提供了類似于一次性傳遞算法的更高安全級別。最后一個階段是智能合約階段，預先約定的密鑰哈希被存儲在智能合約中，并在每次新的通信會話中自動執(zhí)行，智能合約還負責在每次消息中自動修改密鑰，使在經(jīng)典通道上執(zhí)行密鑰哈希和通信加密更加容易和高度安全。為了解釋上述步驟，我們考慮一個新的節(jié)點，例如一家醫(yī)院，請求加入基于區(qū)塊鏈的安全系統(tǒng)。首先，醫(yī)院初始化PBFT算法，如果網(wǎng)絡達到聯(lián)盟狀態(tài)，醫(yī)院將加入基于區(qū)塊鏈的安全網(wǎng)絡，否則，初始化中止。在第一階段完成后，新加入節(jié)點中的用戶設備必須創(chuàng)建一個安全密鑰來加密與其他節(jié)點通信的數(shù)據(jù)。必須計算生成的初始密鑰，輸出是一個將在智能合約中注冊的安全哈希密鑰。為了提高數(shù)據(jù)的安全性，所傳遞的信息包括原始信息、輔助信息和在網(wǎng)絡攻擊時迷惑竊聽者的秘密信息。消息被分成多個段，并使用智能合約中注冊的一次性哈希密鑰進行加密，然后通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡發(fā)送。
這些階段的細節(jié)可以在下面的小節(jié)中描述。圖2描述了提議框架的所有主要階段的方法，包括集群注冊、哈希鍵計算和基于智能合約的一次性哈希(One-Time hash, OTH)。該方法的細節(jié)在算法1、2和3中進行了解釋，并分別進行了討論。
集群預選階段
經(jīng)過驗證和認證的醫(yī)療保健提供商可以發(fā)送請求并加入基于區(qū)塊鏈的通信系統(tǒng)。區(qū)塊鏈作為一種分布式的、安全的、有密碼保證的分布式賬本技術(shù)，無論是非證偽的還是修改的分布式賬本技術(shù)，都不能作為節(jié)點驗證和認證的手段。對于本研究，我們部署區(qū)塊鏈來驗證醫(yī)療保健提供商，并創(chuàng)建一個安全的通信網(wǎng)絡通道;部署的聯(lián)合算法是拜占庭容錯(BFT)的一個增強版本。部署一個私有區(qū)塊鏈，其中檢查和驗證請求的節(jié)點被認為是政府的主要醫(yī)療中心。算法1和算法2描述了所需的步驟。
誠實客戶的選擇可以解釋為:當醫(yī)療保健提供商想要從安全通信中獲益時，它必須首先向驗證中心(Validation Center, VC)發(fā)送請求。在這個算法中，VC可以是管理其他客戶的政府醫(yī)療機構(gòu);在該算法中，CA被指定為根的角色。
風險投資檢查醫(yī)療保健提供者的身份;如果它是真實的，VC就充當頭HC0的角色，并開始通信請求。必須提到的傳感器節(jié)點被認為是誠實的,不容易受到網(wǎng)絡攻擊,因此只有真正的數(shù)據(jù)交流,作為這項工作,未來的范圍的情況下傳感器容易受到各種攻擊和傳達消息欺騙應當考慮和研究。收到來自HC0的請求的節(jié)點繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)它，并計算其內(nèi)存中的消息數(shù)量。
當消息數(shù)超過f + 1輪后，通信提交狀態(tài)，標記結(jié)果發(fā)送給HC0。函數(shù)Stamp用于最后的驗證。通信繼續(xù)，直到達到2f + 1輪。使用Stamp函數(shù)，可以比較HC0和HCk的結(jié)果。如果結(jié)果一致，則將醫(yī)療保健提供者添加到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡，如果不一致，則省略請求。
遵循算法1和算法2，我們確保只有誠實的客戶端才能成為系統(tǒng)的一部分，從而為智能醫(yī)療通信提供所需的保護。因此，只有誠實且經(jīng)過驗證的客戶才能使用該系統(tǒng)。
哈希密鑰注冊階段
在開始通信階段之前，設備用戶和其各自的云服務器必須在通信開始時使用一個共享哈希密鑰來加密數(shù)據(jù)，為此，算法3描述了哈希密鑰注冊的階段。
將哈希密鑰注冊到區(qū)塊鏈后，將在通信階段使用它對消息進行加密。每次初始化通信時，由于Nr(輪數(shù))的變化，哈希密鑰也會發(fā)生變化，從而創(chuàng)建一個新的安全哈希密鑰，僅由物聯(lián)網(wǎng)設備及其各自的云層共享。
在這里，我們部署了一個智能合約來執(zhí)行哈希加密和加密消息。物聯(lián)網(wǎng)設備或醫(yī)療保健提供商發(fā)送的數(shù)據(jù)可以表示為如下所示
Message=OriginalMessage+AuxilaryMessage+SecretMessageMessage = Original Message + Auxilary Message + Secret MessageMessage=OriginalMessage+AuxilaryMessage+SecretMessage
原始信息生成數(shù)據(jù)，由云服務器進行計算和處理，輔助信息是一串比特信息，以噪聲形式發(fā)送，以便在網(wǎng)絡攻擊成功時迷惑竊聽者。輔助字符串和秘密消息不能被云服務器解密，而且使用設備的私鑰進行加密，因此云服務器可以忽略它們。但是，如果攻擊者成功訪問了系統(tǒng)并查看了消息，那么它將作為輔助工具而被混淆消息是沒有意義的。智能合約將使用在前一階段商定的哈希密鑰執(zhí)行加密階段。
分析與討論
為了評估第一步(基于區(qū)塊鏈的集群選擇)，我們使用了Network Simulator-3 (ns-3)，它依靠c++實現(xiàn)智慧城市網(wǎng)絡模型，使用Python實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲。部署IBM Hyperledger來實現(xiàn)區(qū)塊鏈和智能合約。模擬是在一臺運行在Ubuntu Linux下、擁有16gb內(nèi)存的intel core-i7計算機上進行的。
分析
為了證明我們提出的基于區(qū)塊鏈的體系結(jié)構(gòu)的有效性，我們考慮了三個主要的網(wǎng)絡性能指標;與經(jīng)典算法相比，PBFT算法可以提高故障對等體的延遲、網(wǎng)絡執(zhí)行的一般延遲以及網(wǎng)絡吞吐量。與傳統(tǒng)的PBFT算法相比，區(qū)塊鏈算法的執(zhí)行效果更好。
如圖3所示，在四個故障對等點的情況下，我們使用GO-Ethereum在NS-3上運行模擬，為數(shù)據(jù)生成私有通信網(wǎng)絡。實驗結(jié)果證明了該體系結(jié)構(gòu)采用區(qū)塊鏈技術(shù)的可行性。與傳統(tǒng)的BFT算法相比，提出的解決方案記錄了低延遲和高吞吐量。
此外，在以太坊上實現(xiàn)智能合約的最大延遲為60秒，這對于智能醫(yī)療通信等關(guān)鍵系統(tǒng)來說并不理想。智能醫(yī)療通信需要發(fā)送方和接收方之間快速高效的數(shù)據(jù)傳輸，因為如果出現(xiàn)更多的延遲，可能會危及患者的生命。為此，我們實現(xiàn)了在IBM Hyperledger結(jié)構(gòu)上自動生成新哈希鍵的智能合約。
Hyperledger Fabric是一個基于Linux基金會開發(fā)企業(yè)級應用程序的開源項目。智能合約允許OTH自動生成。
哈希值在每輪通信后根據(jù)輪數(shù)變化，從而保證更高的安全級別，并限制竊聽者或網(wǎng)絡攻擊者找到相應哈希值的機會。在這種情況下，生成的哈希鍵場景只有基于區(qū)塊鏈的集群中的參與者才知道。原始消息是唯一使用生成的智能合約哈希加密的段，而輔助段是使用發(fā)送方選擇的方法加密的，以迷惑攻擊者。一旦段被接收到，接收方將對其應用智能合約OTH，使用OTH解密密鑰成功解密的段即為包含原始消息的段，其余的段均被忽略。基于我們的模擬，圖4描述了使用以太坊和Hyperledger fabric的執(zhí)行時間結(jié)果，并顯示基于Hyperledger fabric的智能合約對于關(guān)鍵系統(tǒng)(如智能醫(yī)療)更快、更可行。
此外，該框架的實施保證了醫(yī)療供應鏈系統(tǒng)五個基本方面的實現(xiàn)，其中包括一致性，即醫(yī)療供應鏈系統(tǒng)由于不同組件和參與者之間的快速和安全的數(shù)據(jù)通信而保持一致和實時更新。安全是擬議框架的另一個主要關(guān)鍵要求，通信數(shù)據(jù)應受到保護，并確保不受任何可能的網(wǎng)絡攻擊。該解決方案通過使用區(qū)塊鏈和基于哈希的一次性智能合約來確保信息的安全性。第三個方面是可用性，系統(tǒng)必須能夠隨時進行數(shù)據(jù)通信和信息檢索。這可以通過使用分散的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡實現(xiàn)，在該網(wǎng)絡中，信息容易出現(xiàn)單點故障。另一方面，完整性也是要考慮的另一個參數(shù)。系統(tǒng)的完整性是通過使用一次性的基于散列的智能合約來保證的，其中加密密鑰會隨著每一輪通信而自動更改。最后，該框架保持了醫(yī)療供應鏈數(shù)據(jù)和信息的透明度，可以跟蹤和注冊到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡，并在所有參與節(jié)點之間共享。
討論&開放性研究
提出的框架部署了一種信息隱藏技術(shù)，該技術(shù)使用輔助消息在關(guān)鍵環(huán)境(如智能醫(yī)療系統(tǒng))中隱藏原始消息。該消息被分成多個段，并使用智能合約生成的一次性哈希進行加密。此外，為了增強系統(tǒng)的安全性和私密性，我們使用了一個基于區(qū)塊鏈的私有集群。集群的作用是選擇誠實的醫(yī)療保健提供商，使用BFT算法的改進版本對其進行驗證和身份驗證。一個集群中的醫(yī)療保健提供者能夠彼此之間通信患者信息和數(shù)據(jù)，控制通信的集群頭被認為是一個政府中心。醫(yī)療保健提供商然后生成初始密鑰并將其注冊到區(qū)塊鏈中。使用初始密鑰，智能合約可以在每個通信階段計算一個新的哈希密鑰并自動執(zhí)行它。發(fā)送方創(chuàng)建一個包含原始消息和附加輔助消息的段列表，只有原始消息段使用預先商定的OTH加密，而其他段使用發(fā)送方選擇的方法加密。消息通過區(qū)塊鏈發(fā)送給接收方，接收方依次將OTH解密密鑰應用到接收的段中。含有原始報文的段將被相應解密，而輔助報文將被忽略。這種方法不僅可以應用于通信階段，還可以在本地或基于云的數(shù)據(jù)庫中存儲數(shù)據(jù)。將原始數(shù)據(jù)隱藏在無用的文本或圖像中是非常安全的，因為不同的片段被加密，攻擊者在沒有正確的密鑰的情況下需要更長的時間來破譯。
其他現(xiàn)有的先進技術(shù)可以與該框架合并，以增強醫(yī)療供應鏈的安全性和隱私性。Niu等人[38]討論了針對長時間觀察攻擊的位置隱私保護方法。他們提出的名為Eclipse的框架在位置隱私和系統(tǒng)的可用性和可用性之間建立了平衡。雖然他們的論文中沒有提到，但提出的解決方案可以有效地在醫(yī)療供應鏈服務中實施，提高安全性和隱私水平。另一方面，與大多數(shù)相關(guān)工作不同的是，Jin et al.[39]提出了一種新穎的移動眾感系統(tǒng)框架，可以自動選擇提供可靠數(shù)據(jù)的工人。在我們提出的框架中，這種方法也可以用于誠實節(jié)點的選擇階段。最后，Jia等人使用區(qū)塊鏈實現(xiàn)了一個名為PROCESS的在線隱私保護鏈上證書狀態(tài)。該方法可以與我們的框架相結(jié)合，對驗證中心的證書進行驗證，從而提高了系統(tǒng)的安全性。
這項工作的局限性在于加密和解密階段;這兩個階段沒有詳細討論，因為我們在論文中提出了一個總體概述。作為未來的工作，我們打算詳細描述加密和解密階段并在多個和各種系統(tǒng)中測試所提議的框架，如智能工廠和智能家庭。關(guān)鍵系統(tǒng)需要更高更嚴格的安全措施，通過該解決方案，我們可以提高智能系統(tǒng)和基于云的數(shù)據(jù)庫的安全性和私密性。
總結(jié)
信息隱藏技術(shù)(Information Hiding Techniques, IHT)產(chǎn)生了多種先進的方法，通過多種技術(shù)來隱藏敏感信息，使其不被惡意節(jié)點披露。IHT對于保護通信信息、數(shù)據(jù)文件甚至公司之間電子合同的隱私和真實性非常有用。此外，在區(qū)塊鏈的支持下，基于區(qū)塊鏈的IHT可以為關(guān)鍵網(wǎng)絡需求帶來更高的安全性和隱私級別。區(qū)塊鏈是一個去中心化的分布式賬本，承諾不篡改區(qū)塊。為了提高智能醫(yī)療等關(guān)鍵系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信的安全性和私密性，本文提出了基于區(qū)塊鏈和智能合約的信息隱藏技術(shù)的實現(xiàn)。部署區(qū)塊鏈是為了創(chuàng)建一個由誠實的醫(yī)療保健提供商組成的安全私有集群進行通信，而智能合約用于自動生成用于加密目的的OTH。在信息隱藏技術(shù)方面，我們使用包含原始信息的段隱藏在輔助信息中;只有原始消息使用OTH加密，而輔助消息使用發(fā)送方選擇的各種加密技術(shù)加密，可以被接收方忽略。與傳統(tǒng)的技術(shù)相比，我們的方案證明了更低的執(zhí)行時間，并承諾更高的安全措施。作為未來的工作，我們將結(jié)合其他關(guān)鍵系統(tǒng)的真實場景詳細描述OTH的加解密技術(shù)。
參考文獻（本文出現(xiàn)的部分）
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版權(quán)聲明：本人論文譯本，當節(jié)選或參照部分內(nèi)容時應注明出處。
原文鏈接：【MDPI-Sensors】https://www.mdpi.com/authors/promoting
Received: 21 December 2021
Accepted: 8 February 2022
Published: 10 February 2022
總結(jié)
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