醫(yī)療無線網(wǎng)絡(luò)安全研究與分析

江蘇省徐州市中心醫(yī)院 朱 琨

醫(yī)療無線網(wǎng)絡(luò)安全研究與分析

江蘇省徐州市中心醫(yī)院 朱 琨

無線網(wǎng)絡(luò)是醫(yī)院用以保存及傳輸醫(yī)療信息的主要途徑,網(wǎng)絡(luò)的安全性,是決定醫(yī)療信息能夠被妥善保管的主要因素.本文首先分析了醫(yī)療無線網(wǎng)絡(luò)的特點,在此基礎(chǔ)上,視醫(yī)院的網(wǎng)絡(luò)安全需求,設(shè)計了"醫(yī)療無線網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)".最后,主要從加密模塊、壓縮模塊及傳輸模塊出發(fā),闡述了系統(tǒng)的實現(xiàn)方法,并評估了系統(tǒng)的性能.目的在于進一步提高醫(yī)療無線網(wǎng)絡(luò)的安全性,提高患者及醫(yī)院信息的安全水平.

無線網(wǎng)絡(luò);混沌分組加密算法;惡意節(jié)點

前言

隨著通信領(lǐng)域發(fā)展水平的不斷提高,各醫(yī)院均已引進了無線網(wǎng)絡(luò),并將其應(yīng)用到了醫(yī)療過程中.但就目前的情況看,受加密算法落后、數(shù)據(jù)波動幅度大等因素的影響,醫(yī)療信息的安全性很難得到保證.設(shè)計"醫(yī)療無線網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)",優(yōu)化各算法,提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性及安全性,開始成為了醫(yī)療領(lǐng)域需解決的重點問題.

1.醫(yī)療無線網(wǎng)絡(luò)的特點

醫(yī)療無線網(wǎng)絡(luò)的特點,主要體現(xiàn)在移動性強、效率高、延遲短、效益高、安全性差等方面:(1)移動性:醫(yī)療無線網(wǎng)絡(luò),主要功能在于監(jiān)控機體生理活動,需具備較高的移動性,方可穩(wěn)定的接收數(shù)據(jù)流量.網(wǎng)絡(luò)一般分布于醫(yī)院走廊及病房等各個區(qū)域,不同區(qū)域?qū)W(wǎng)絡(luò)動靜狀態(tài)的要求不同.走廊傳感節(jié)點需以靜為主,同一機體傳感節(jié)點之間,需保持相對靜止的關(guān)系.(2)效率高:與靜止的物體不同,人體傳感器信號的獲取相對困難.將無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域,可有效提高信號的獲取效率,提高患者體征監(jiān)測的實時性及準確度.(3)延遲短:在醫(yī)療無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署完善的情況下,醫(yī)院無線網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲較短,網(wǎng)絡(luò)傳輸速率較高.(4)效益高:采用無線網(wǎng)絡(luò)獲取患者的生理數(shù)據(jù),可有效減輕醫(yī)護人員監(jiān)測患者生命體征的負擔(dān),節(jié)約醫(yī)院的人力資源,提高醫(yī)院的經(jīng)濟及人力資源效益.(5)安全性差:醫(yī)療無線網(wǎng)絡(luò)安全性差,主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險高方面.數(shù)據(jù)加密技術(shù)水平落后、壓縮技術(shù)不成熟、傳輸存在漏洞,是導(dǎo)致上述問題存在的主要原因.

2.醫(yī)療無線網(wǎng)絡(luò)安全需求及系統(tǒng)設(shè)計

2.1 醫(yī)療無線網(wǎng)絡(luò)安全需求

2.1.1 數(shù)據(jù)加密需求

醫(yī)療無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加密需求,主要體現(xiàn)在節(jié)點安全需求、被動防御需求、主動攻擊需求以及信息安全需求4方面.具體如下:(1)節(jié)點安全需求:醫(yī)療無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量多、分布范圍廣.少數(shù)節(jié)點被破壞,對網(wǎng)絡(luò)安全性的影響較小.但如Sink等被篡改,網(wǎng)絡(luò)則極容易癱瘓.因此,實時檢測惡意節(jié)點,并將其清除,確保節(jié)點安全十分關(guān)鍵.(2)被動防御需求:被動防御,指入侵已形成時,網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的保護能力.提高醫(yī)療無線網(wǎng)絡(luò)的被動防御水平,可進一步提高數(shù)據(jù)及信息的安全性.(3)主動攻擊需求:醫(yī)療無線網(wǎng)絡(luò)需具備主動識別風(fēng)險的能力,以將風(fēng)險排除在系統(tǒng)之外.(4)信息安全需求:將敏感數(shù)據(jù)加密、確保數(shù)據(jù)完整、提高數(shù)據(jù)存儲的安全性,是醫(yī)療無線網(wǎng)路在保障信息安全方面的主要需求.

2.1.2 數(shù)據(jù)壓縮需求

醫(yī)療無線網(wǎng)絡(luò)需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大,將壓縮技術(shù)應(yīng)用到數(shù)據(jù)處理過程中,可有效提高數(shù)據(jù)傳輸效率.數(shù)據(jù)壓縮算法為數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的一種,具有結(jié)構(gòu)與計算過程簡單的優(yōu)勢.將該算法應(yīng)用到安全系統(tǒng)設(shè)計過程中,設(shè)置周期分段長度,提取簇首數(shù)值作為代表,壓縮數(shù)據(jù),還能夠達到提高數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性的目的,應(yīng)用價值顯著.

2.1.3 數(shù)據(jù)傳輸需求

醫(yī)院無線網(wǎng)絡(luò)收集患者信息及相關(guān)體征監(jiān)測數(shù)據(jù)的方法較多,可要求患者采用穿戴或攜帶式方法,與傳感器保持相對靜止的關(guān)系,以使傳感器能夠提取相應(yīng)信息,并將其傳輸至監(jiān)護中心.提高數(shù)據(jù)收集及傳輸?shù)膶崟r性,可使患者的異常被及時發(fā)現(xiàn),降低醫(yī)療風(fēng)險的發(fā)生幾率.

2.2 醫(yī)療無線網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)設(shè)計

從監(jiān)護系統(tǒng)的構(gòu)成、安全系統(tǒng)的功能以及數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法等方面,闡述了醫(yī)療無線網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)的設(shè)計方案:

2.2.1 監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計

醫(yī)療無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)護系統(tǒng),由終端、網(wǎng)關(guān)節(jié)點、加密與解密模塊、監(jiān)護模塊及防火墻等部分構(gòu)成[1]:(1)終端:由患者穿戴或攜帶,用以實時采集患者心率及血壓等指標的具體數(shù)值,并由傳感器負責(zé)通過無線網(wǎng)絡(luò)將上述指標傳輸至監(jiān)護中心.(2)網(wǎng)關(guān)節(jié)點:功能在于為所收集到的各數(shù)據(jù)及信息的傳輸提供途徑.當網(wǎng)絡(luò)存在風(fēng)險時,惡意節(jié)點可隨之產(chǎn)生.識別并處理惡意節(jié)點,能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性.(3)加密與解密模塊:患者信息被收集后,需經(jīng)加密模塊加密后傳輸至本地監(jiān)護系統(tǒng),以避免信息在傳輸中被截獲.加密后的信息,經(jīng)解密后,即可閱讀及參考.(4)監(jiān)護模塊:功能在于顯示患者的信息,用以監(jiān)護患者的病情,具體包括患者的臨床資料及血壓與脈搏等生命體征等信息.(5)防火墻:用以攔截風(fēng)險,維護系統(tǒng),使之安全運行.

2.2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)功能主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)加密與解密、數(shù)據(jù)傳輸及監(jiān)護功能等.設(shè)計方法如下:(1)數(shù)據(jù)采集功能:數(shù)據(jù)采集的過程,需利用傳感器來完成.兩次數(shù)據(jù)采集的間隔時間,可由醫(yī)護人員視患者的病情進行靈活調(diào)整.(2)數(shù)據(jù)壓縮功能:采集獲得的最初數(shù)據(jù),結(jié)構(gòu)簡單、容忍度低.需采用壓縮算法壓縮數(shù)據(jù),提高數(shù)據(jù)傳輸效率,降低網(wǎng)絡(luò)消耗[2].(3)數(shù)據(jù)加密功能:可采用混沌的分組加密算法加密,優(yōu)化現(xiàn)有密鑰,進一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?避免泄露患者的信息.(4)數(shù)據(jù)傳輸功能:本系統(tǒng)支持設(shè)置優(yōu)先級數(shù)據(jù),可確保重要信息能夠被及時獲取,提高體征監(jiān)測的實時性與有效性,提高醫(yī)院的監(jiān)護水平.(5)數(shù)據(jù)解密功能:要求基于逆序密鑰,實現(xiàn)迭代計算,將數(shù)據(jù)解密,以供醫(yī)護人員獲取患者的血壓及心電等信息.(6)監(jiān)護功能:可供醫(yī)護人員查詢及瀏覽有關(guān)醫(yī)療信息.

2.2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計所應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫以MySQL數(shù)據(jù)庫為主,數(shù)據(jù)庫內(nèi)包括的實體及屬性如下:(1)患者信息:包括患者的姓名、年齡及疾病類型等臨床資料,以及患者血壓、心率等生命體征監(jiān)測數(shù)據(jù)等.不同信息描述及數(shù)據(jù)類型不同.例如:患者姓名可描述為"Name",數(shù)據(jù)類型為Varchar.患者血壓可描述為Bvalue,數(shù)據(jù)類型為Float.(2)醫(yī)護人員信息:包括醫(yī)護人員姓名及年齡等基本信息,及其監(jiān)護信息.

3.醫(yī)療無線網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)的實現(xiàn)及性能評估

3.1 醫(yī)療無線網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)的實現(xiàn)

加密、壓縮與數(shù)據(jù)傳輸模塊的實現(xiàn)方法如下:

3.1.1 加密模塊的實現(xiàn)

基于混沌分組加密算法所設(shè)計的加密模塊,可將患者的有關(guān)數(shù)據(jù)加密,避免患者的信息被竊取.未經(jīng)解密模塊解密前,數(shù)據(jù)打開后會以亂碼的形式呈現(xiàn).在此階段,不法人員很難截獲有效信息.經(jīng)解密模塊正確解密后,數(shù)據(jù)及信息方可正確顯示.

3.1.2 壓縮模塊的實現(xiàn)

壓縮模塊可將數(shù)據(jù)量壓縮至最小,提高數(shù)據(jù)傳輸、效率.脈搏、體溫及血壓,為體征監(jiān)測中需監(jiān)測的主要信息.以脈搏為例,應(yīng)用壓縮模塊后,當采集數(shù)據(jù)為10時,經(jīng)2次調(diào)整,傳輸數(shù)據(jù)可降低至8.壓縮算法流程如下:(1)啟動算法,采集數(shù)據(jù),時數(shù)據(jù)構(gòu)成時間序列集合.(2)建立回歸模型,判斷數(shù)據(jù)是否滿足模型需求,如滿足,可隨即壓縮數(shù)據(jù).(3)如數(shù)據(jù)不滿足模型需求,則需調(diào)整采樣時間,并建立新的時間序列集合,再次建立回歸模型,進一步對數(shù)據(jù)進行壓縮.控制壓縮算法的誤差,是確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)壓縮功能能夠有效實現(xiàn)的基礎(chǔ).誤差RMSE計算公式如下[3]:

可視公式中RMSE的值,評估算法誤差的大小.RMSE值越小,表明算法誤差越小,壓縮后所得到的數(shù)據(jù),與患者的真實體征情況更加接近.除壓縮算法外,DCRM算法以及TSDCAC算法,同樣具有壓縮數(shù)據(jù)的功能,但誤差相對較大,較本文所應(yīng)用的壓縮算法相比,存在一定的缺陷.

3.1.3 傳輸模塊的實現(xiàn)

傳輸模塊的功能在于將患者的信息傳輸至監(jiān)護模塊中,以供醫(yī)護人員觀察.數(shù)據(jù)顯示模塊共包括病人管理、呼叫中心、數(shù)據(jù)分析、用戶管理及實施監(jiān)護5大功能.進入實時監(jiān)護頁面后,患者的性別、年齡、監(jiān)護編號、聯(lián)系方式多呈現(xiàn)在頁面最上方.體征、脈搏、血壓及體溫數(shù)據(jù)居于患者臨床信息之下.如患者體征存在異常,頁面一般有所提示.

3.2 系統(tǒng)性能評估

3.2.1 信任評估方法

本課題所應(yīng)用的信任評估方法如下[4]:(1)系統(tǒng)中,每個節(jié)點在不同功能時間單元,通過觀察某跳鄰節(jié)點的行為所得到的信息,即為節(jié)點的直接信任值.(2)節(jié)點只能夠觀察一跳鄰節(jié)點,在此范圍外的鄰節(jié)點無法被觀察.(3)為測量節(jié)點在某一時間單元的信任值,首先應(yīng)考慮該節(jié)點的歷史信任值.確保歷史信任值穩(wěn)定后,方可評估其信任情況.(4)最終,應(yīng)以綜合信任值為主要參考指標,評估節(jié)點的信任值.

3.2.2 MeTrust功能評估

MeTrust功能評估內(nèi)容包括惡意節(jié)點檢測及平均包接收率評估2部分:(1)惡意節(jié)點檢測:本課題采用模擬實驗的方法,模擬了不同的攻擊行為,并觀察了系統(tǒng)對惡意節(jié)點的檢測效果.通過對檢測結(jié)果的觀察發(fā)現(xiàn),未應(yīng)用安全系統(tǒng)的情況下,在200--300個時間單位的攻擊過程中,節(jié)點信任值為0.85.應(yīng)用安全系統(tǒng)后,在同樣時間單位的攻擊過程中,節(jié)點信任值隨時間單位的增加而隨之減小,患者的信息未發(fā)生丟失.表明,系統(tǒng)可有效識別惡意節(jié)點,提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與安全性.(2)平均包接收率:未應(yīng)用安全系統(tǒng)前,醫(yī)院無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議多為分布式路由協(xié)議.協(xié)議最大數(shù)量為10,平均包接收率為0.11個/s.假設(shè)衰老因子為0.1.應(yīng)用安全系統(tǒng)后,平均包接收率可達0.67個/s,患者生命體征信息可全面顯示在監(jiān)護系統(tǒng)中.顯而易見,應(yīng)用安全系統(tǒng)后,平均包接收率更高.

3.2.3 ReTrust功能評估

ReTrust功能評估內(nèi)容包括惡意節(jié)點檢測、間歇攻擊評估以及詆毀攻擊評估等:(1)惡意節(jié)點檢測:選取MN以隨機方式發(fā)送包,假設(shè)包由A向B發(fā)送,B有權(quán)了解A發(fā)送包的數(shù)量.在上述前提下觀察系統(tǒng)的丟包率發(fā)現(xiàn),在應(yīng)用安全系統(tǒng)后,合法MN的丟包率為10%,惡意的MN丟包率為75%.通過對患者信息獲取時間及內(nèi)容的觀察發(fā)現(xiàn),信息的傳輸實時性較強,最終獲取的信息未發(fā)生丟失.可見,將無線網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)應(yīng)用到醫(yī)療信息的監(jiān)測及傳輸過程中,可有效降低合法MN的丟包率,提高惡意MN的丟包率,提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?(2)間歇攻擊:將偽隨機數(shù)產(chǎn)生器,加入到惡意MN中,觀察間歇攻擊環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定情況可以發(fā)現(xiàn),當隨機數(shù)<0.2,未應(yīng)用安全系統(tǒng)的情況下,MN丟包率較高,系統(tǒng)穩(wěn)定性差.應(yīng)用安全系統(tǒng)后,MN丟包率顯著降低,ReTrust系統(tǒng)以及醫(yī)療數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定度顯著提升,醫(yī)護人員可全面獲取患者的醫(yī)療信息.表明,醫(yī)療無線網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)對間歇攻擊的抵抗能力較強.(3)詆毀攻擊:假設(shè)攻擊者詆毀在一定時間單位內(nèi),間斷的對系統(tǒng)進行詆毀攻擊.觀察該環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定情況可以發(fā)現(xiàn),當隨機數(shù)<0.2,未應(yīng)用安全系統(tǒng)的情況下,MN丟包率較高,系統(tǒng)穩(wěn)定性差.應(yīng)用安全系統(tǒng)后,惡意節(jié)點會通過推薦減少20,并在9個時間單元內(nèi),繼續(xù)迅速減少,9個時間單元后,惡意節(jié)點檢出率可達100%,患者信息未發(fā)生丟失,未被竊取.表明,醫(yī)療無線網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)對詆毀攻擊的抵抗能力,對系統(tǒng)穩(wěn)定性的保證,具有積極意義.

4.結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn),將無線網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域,可有效提高數(shù)據(jù)及信息的傳輸速率及穩(wěn)定性,提高信息的完整性及安全性.醫(yī)院應(yīng)將該技術(shù)應(yīng)用到無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中,采用混沌分組加密算法加密數(shù)據(jù)、采用壓縮算法減少數(shù)據(jù)傳輸量,以降低MN丟包率,提高惡意節(jié)點檢出率,提高患者就醫(yī)及醫(yī)院工作的安全性.

[1]郭宇.醫(yī)院無線網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)措施及應(yīng)用實踐研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2017,(04):92-93.

[2]張穩(wěn),馬錫坤,于京杰.基于一網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)平臺的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應(yīng)用探討[J/OL].醫(yī)學(xué)研究生學(xué)報,2015,28(08):850-852.

[3]王文明,朱一新.基于多業(yè)務(wù)無線網(wǎng)絡(luò)平臺的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用[J].中國數(shù)字醫(yī)學(xué),2015,10(03):38-40.

[4]樊丹,王瑩,鄧云.基于ZigBee技術(shù)的醫(yī)療監(jiān)測的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究[J].中國集成電路,2013,22(12):37-42.