基于分布式區(qū)塊鏈和RSA 加密的醫(yī)療檔案信息共享策略研究

董婉婷

（濟(jì)寧市第一人民醫(yī)院，山東濟(jì)寧 272011）

當(dāng)前，醫(yī)院對信息安全的要求逐漸提高，對患者個人隱私數(shù)據(jù)保護(hù)的需求也越來越多。因此，需要關(guān)注如何更好地利用便捷的互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行醫(yī)療服務(wù)，且還能夠防止醫(yī)療信息系統(tǒng)受到攻擊和竊取[1]。隨著區(qū)塊鏈和云計算的推廣，相關(guān)技術(shù)在醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)領(lǐng)域也得到了迅速發(fā)展，包括醫(yī)療信息化、移動醫(yī)療、醫(yī)療電子商務(wù)、可穿戴設(shè)備、在線醫(yī)療服務(wù)等。區(qū)塊鏈以點對點的方式連接參與者，而參與者通過共識機(jī)制和智能合約共同維護(hù)同一系統(tǒng)，并實現(xiàn)較為靈活的合作模式[2-3]。

在傳統(tǒng)的加密方法中，客戶端首先下載并解密本地加密的文本數(shù)據(jù)。在發(fā)送到指定客戶機(jī)前，客戶機(jī)將使用公鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。指定客戶機(jī)能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行解密，但這需要大量的網(wǎng)絡(luò)開銷和操作成本，且還占用了客戶機(jī)有限的內(nèi)存，從而使其成本成倍增加[4]。Rivest Shamir Adelman（RSA）是一種基于私鑰的算法，該算法用于為電子郵件、Web 和ATM機(jī)傳輸安全數(shù)據(jù)。在RSA 算法中，公鑰的加密是已知的，而私鑰的解密是秘密的。因此，文本的加密和解密主要是基于密鑰中需要分解質(zhì)數(shù)的數(shù)量[5-6]的。隨著智能醫(yī)療的普及，醫(yī)療機(jī)構(gòu)可以將數(shù)據(jù)存儲在云端，以節(jié)省設(shè)備成本。為了數(shù)據(jù)安全和保護(hù)患者的個人隱私，一些醫(yī)療機(jī)構(gòu)需要事先對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，形成密文。此外，還需要經(jīng)常與其他醫(yī)療機(jī)構(gòu)共享某些密文，并防止他人破解該數(shù)據(jù)密文。

基于上述內(nèi)容，該文提出了在區(qū)塊鏈與云計算中，將區(qū)塊鏈的去中心化和防篡改與分布式云計算節(jié)點相結(jié)合[7-9]，同時利用基于Mersenne 質(zhì)數(shù)的改進(jìn)RSA 算法進(jìn)行加密的解決方案。其能夠幫助衛(wèi)生機(jī)構(gòu)以較低的成本對患者數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，并實現(xiàn)醫(yī)療機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)交互。

1 分布式區(qū)塊鏈及云計算

傳統(tǒng)的醫(yī)療數(shù)據(jù)訪問控制技術(shù)，建立并實現(xiàn)了一種可靠的服務(wù)器安全訪問策略，但其難以適應(yīng)現(xiàn)代分布式的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。而區(qū)塊鏈通過分布式數(shù)據(jù)存儲、可靠的點對點傳輸、共識機(jī)制以及加密算法，帶來了新的解決思路[10-11]。傳統(tǒng)的ABE 機(jī)制既不能完全保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性，也無法有效防止沖突攻擊且未能滿足屬性撤銷所帶來的巨大計算開銷[12-13]。將區(qū)塊鏈應(yīng)用于云計算，利用區(qū)塊鏈的安全機(jī)制提升云計算的安全存儲和性能是一個重要的研究核心。區(qū)塊鏈與云計算的融合，再加上適當(dāng)?shù)陌踩呗?，即可解決數(shù)據(jù)共享與隱私之間的矛盾[14-16]。

2 授權(quán)管理和訪問控制

當(dāng)云醫(yī)院與其他醫(yī)院進(jìn)行共享數(shù)據(jù)授權(quán)時，需要獲取其他醫(yī)院的公鑰。因此其應(yīng)為每個用戶生成相應(yīng)的密鑰，然后將該密鑰發(fā)送到云。當(dāng)用戶請求訪問這些數(shù)據(jù)資源時，云會在驗證身份認(rèn)證與授權(quán)認(rèn)證后，根據(jù)用戶的公鑰返回數(shù)據(jù)的加密文本，并與相應(yīng)的密鑰、密文進(jìn)行解密，從而得到相應(yīng)數(shù)據(jù)的原始明文資源。

云需要為每個授權(quán)用戶生成一個重新加密的密文，而未授權(quán)用戶則無法獲得其他用戶重新加密密文的權(quán)利。即使未經(jīng)授權(quán)的用戶獲得了重新加密的密文，其也無法解密相應(yīng)的明文數(shù)據(jù)。將ABE 應(yīng)用于代理重加密時，可以同時授權(quán)多個具有同一組屬性的用戶。

如圖1 所示，代理重加密過程減輕了醫(yī)院A 的負(fù)擔(dān)，其只需生成代理密鑰；而具體醫(yī)療數(shù)據(jù)的傳輸、加密轉(zhuǎn)換、文件存儲均由云服務(wù)提供商完成。代理重加密能夠?qū)崿F(xiàn)密文醫(yī)療數(shù)據(jù)在云中的共享，且不會泄露數(shù)據(jù)所有者的解密密鑰。該數(shù)據(jù)僅存儲一次，但卻能夠共享多次，而為了控制權(quán)限只需生成共享密鑰即可。

3 醫(yī)療數(shù)據(jù)隱私保護(hù)

該文采用Paillier 同態(tài)的代理重加密和RSA 算法來防止共享醫(yī)療數(shù)據(jù)的泄漏。若加密函數(shù)僅滿足加法同態(tài)，則只能進(jìn)行加法和減法運算；若一個加密函數(shù)僅滿足乘法同態(tài)，則其只能執(zhí)行乘法和除法運算。因此Paillier 算法與加法同態(tài)，RSA 算法與乘法同態(tài)。在不可信的云存儲中，當(dāng)數(shù)據(jù)的機(jī)密性無法保證時，代理重加密部分用于重加密和授權(quán)。在第三方不可信的開放環(huán)境下，能夠保證云存儲中敏感數(shù)據(jù)的機(jī)密性。在同態(tài)加密中，私鑰加密醫(yī)療數(shù)據(jù)，僅有客戶端才具有公鑰。在使用代理重加密生成的密鑰中，即使惡意攻擊者獲得其中一個密鑰，其仍需另一個不同的密鑰才可進(jìn)行解密。若攻擊者獲得所有加密數(shù)據(jù)，其也無法解密并獲取客戶端和服務(wù)器之間的原始明文數(shù)據(jù)，從而也確保了即使是處理器也無法訪問數(shù)據(jù)的信息。該文使用基于Mersenne 質(zhì)數(shù)的改進(jìn)RSA 重加密算法進(jìn)行加密，從中央認(rèn)證中心輸出公鑰和密鑰對、中心主密鑰、系統(tǒng)公鑰和公共參數(shù)的具體實施步驟如下：

1）生成一對公鑰和私鑰。醫(yī)院A 和醫(yī)院B 分別請求云服務(wù)提供商生成其公鑰與私鑰。在提供商分別為二者生成一對公鑰和私鑰后，云服務(wù)提供商將秘鑰返回給醫(yī)院A 及醫(yī)院B。

2）隨機(jī)選取三個相對較大且相互獨立的質(zhì)數(shù)p、q和h進(jìn)行組合，使得下列組合互質(zhì)，即如式（1）所示：

3）計算p、q和h的公共模數(shù)n=p·q·h，并選擇整數(shù)e(1 ＜e＜φ(n))，使得e和φ(n) 互為質(zhì)數(shù)，從而有式（2）-（4）所示的數(shù)理關(guān)系：

式中，m是要加密的信息，即明文；c為加密后的信息，即密文。

4）隨機(jī)選取η，使得

5）利用式（4）計算模反元素的存在性，從n中因式分解出η對應(yīng)參數(shù)的γ，計算方法為：

L定義為：

6）得出公鑰(n,η)和私鑰(λ,γ)。

7）生成加密文件。醫(yī)院A 首先使用RSA 來計算并加密數(shù)據(jù)，以生成加密文件c1。然后醫(yī)院A 根據(jù)第二層進(jìn)行加密，用其公鑰對RSA 的密鑰進(jìn)行加密，以生成加密文件c2。最終醫(yī)院A 將兩個加密文件上傳到服務(wù)器。

8）使加密的信息m∈Zn。

9）隨機(jī)選取r并使得

10）計算密文。

11）構(gòu)造代理重加密密鑰。

醫(yī)院A 向云服務(wù)提供商請求醫(yī)院B 的公鑰，提供商將醫(yī)院B 的公鑰返回給醫(yī)院A。醫(yī)院A 再使用醫(yī)院B 的公鑰和自己的私鑰生成重加密密鑰，然后醫(yī)院A 將新生成的重加密密鑰上傳到服務(wù)器。

12）計算公鑰和私鑰。

13）Paillier 算法生成重新加密的密文，并將公鑰發(fā)送到云計算服務(wù)器。對于給定的公鑰和第二層密文，該算法可以使用重加密密鑰生成公鑰的第一層密文。服務(wù)器使用醫(yī)院A 上傳的重加密密鑰和密文進(jìn)行代理重加密計算，從而生成新的密文。

14）醫(yī)院B 請求數(shù)據(jù)并解密。醫(yī)院B 請求云服務(wù)器解密數(shù)據(jù)和相應(yīng)的密文，云服務(wù)器將重新加密的文本發(fā)送到醫(yī)院B。醫(yī)院B 解密密文，并得到密鑰。然后使用RSA 進(jìn)行解密，從而得到原始明文數(shù)據(jù)。

16）計算信息的方法如式（7）所示：

4 模擬實驗與分析

該文通過使用某醫(yī)院患者常規(guī)體檢的數(shù)據(jù)來對整個方案進(jìn)行模擬實驗，以討論影響該方案可靠性的因素，其數(shù)據(jù)是一個25 維向量。為了完成每個加密任務(wù)τ，加密任務(wù)ρT的處理器將首先接收一個25維醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)向量。然后該處理器對向量中的每個元素進(jìn)行加密，并將加密結(jié)果發(fā)送到其所在的云節(jié)點ENT。由于該方案在云計算方面采用了Hadoop 和Spark 框架，因此具有更優(yōu)的存儲和計算能力，可及時響應(yīng)用戶的請求，并完成用戶的上傳、計算、下載操作，以達(dá)到動態(tài)共享和患者隱私保護(hù)的目的。

對于每個云端用戶，其可靠性被初始化為0.5，而根據(jù)上文所述，用戶的可靠性隨著數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的提高而增強(qiáng)。

參數(shù)γ的不同值對可靠性的影響可以從n增加時用戶可靠性的變化中反映出來，n表示客戶端要實現(xiàn)的加密任務(wù)數(shù)。如圖2 所示，若用戶端能夠不斷地提供正確的數(shù)據(jù)，則γ決定其可靠性收斂到1的速度，且γ值越大，其可靠性收斂到1 的速度越快；但當(dāng)γ值較大時，容易受到內(nèi)部與外部的攻擊。因此，通常設(shè)置γ∈[2,3]。

當(dāng)步長為0.05 時，η的值從初始值0.03 變?yōu)?.28，如圖3 所示。η決定了可靠性收斂到0 的速度，且η的值不能較大；否則，由于各種意外因素，當(dāng)產(chǎn)生錯誤數(shù)據(jù)時，可靠性會急劇下降，因此應(yīng)避免這種情況。此外，η的值也不能較??；否則，其將對不可靠情形給予過少的懲罰，并導(dǎo)致進(jìn)一步的惡意攻擊。γ和η的值應(yīng)滿足exp{-γ} ＜1-exp(-η)的要求，該文將其設(shè)置為η=0.13。

為了分析更新參數(shù)u、v對可靠性的影響，該文設(shè)置了包含100 個加密任務(wù)的場景。這100 個用戶端需要處理100 個加密任務(wù)。在初始階段，處理加密任務(wù)的每個用戶端的初始可靠性為0.5。在所有加密處理中，假設(shè)存在10 個不可靠的用戶端，則設(shè)置λ=0.15。

在分析參數(shù)u對可靠性更新的影響時，隨機(jī)選取一個正常的用戶端，觀察可靠性隨任務(wù)數(shù)n的變化。這里，u的值包括5、20、50、80 和100。對于每個u值，進(jìn)行100 次實驗?？偨Y(jié)當(dāng)n從1 增加到100 時，可靠性的平均值變化，如圖4 所示。從圖中可知，u的值越小，可靠性收斂到1 的速度越快。更新可靠性時，u值越小則exp{-u·di-γ}值越大，在給出一個合適的數(shù)據(jù)后，可靠性就越高。而當(dāng)u為0 時，可靠性的增加完全由γ決定。因此，u值不能過小；否則，容易造成潛在的安全風(fēng)險，通常設(shè)置為u∈[50,100]。

同時，該文還分析了v對可靠性更新的影響，v值為0.001、0.005、0.01、0.05 和0.1。需要注意的是，v比u的值小得多，而這正是因為同類用戶的數(shù)據(jù)差通常較為接近。如圖5 所示，圖中v的值越大，可靠性收斂到0 的速度越快，而當(dāng)v接近0 時，可靠性的降低由參數(shù)η決定。為了避免由于偶爾提供少量錯誤數(shù)據(jù)而導(dǎo)致用戶可靠性下降過多，因此v值不能過小，通常設(shè)置為v∈[0.005,0.01]。

模擬實驗討論了方案中關(guān)鍵參數(shù)對方案可靠性的影響，同時給出了方案參數(shù)的合理范圍，并驗證了所提出方案的可靠性。

5 結(jié)束語

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N全新的分散分布式數(shù)據(jù)庫，其是一系列采用密碼方法的數(shù)據(jù)塊。該文結(jié)合代理重加密和基于屬性的加密兩種加密方法，構(gòu)建了基于區(qū)塊鏈的云計算關(guān)鍵技術(shù)解決方案，并應(yīng)用于分布式醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全與隱私保護(hù)。其不僅可以實現(xiàn)云數(shù)據(jù)的完整性測試，還能夠?qū)崿F(xiàn)更廣泛的安全加密計算。智能醫(yī)院只需向云服務(wù)器提供代理密鑰，云服務(wù)器即可將醫(yī)療數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為指定格式的加密文本。固定用戶端可以隨時使用其私鑰訪問這些共享數(shù)據(jù)資源，且無需下載。由于醫(yī)療數(shù)據(jù)較容易獲取、被壟斷、篡改且難以共享，若第三方不值得信任，則無法實現(xiàn)安全共享和存儲分布式、分散、可跟蹤和不可更改的醫(yī)療數(shù)據(jù)的目的。在未來將考慮改進(jìn)共識機(jī)制，研究如何實現(xiàn)云數(shù)據(jù)的細(xì)粒度控制，以及如何減少冗余數(shù)據(jù)的存儲開銷，從而使區(qū)塊鏈的性能可滿足智能醫(yī)院的更多需求。