基于区块链的MCPS数据安全研究

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医疗信息物理融合系统(Medical Cyber-Physical Systems,MCPS)是以保障生命安全为重要前提的网络化、智能化的医疗系统。MCPS中的医疗数据由采集得到的患者的身体参数数据和患者的医疗就诊记录数据组成,是一个典型的大数据系统,传统的MCPS数据库采用集中式的数据存储结构,将全部数据存储于一个中心数据库中,一旦中心数据库遭到入侵,所有数据将面临严重的威胁,而区块链(Blockchain)涵盖了智能合约、共识算法、加密算法等多种核心技术,区块链中的的分布式存储能很好地阻止非法者的入侵;同时,区块链使用点对点和加密算法传输数据可以提高数据的安全性;另外,区块链技术还可以达到数据备份的目的。论文结合区块链技术和MCPS技术,构建了二者深入融合的BCMCPS数据安全保护架构,重点介绍了BCMCPS架构在每一层上的具体构造和功能应用,包括物理层医疗数据的采集和传输过程、数据集成层医疗数据的传输及设备数据和医疗数据存储结构的实现、系统应用层医疗领域的功能实现和场景应用。BCMCPS架构使数据具有不可篡改性、可追溯性、可共享性、可靠性和可验证性,使得MCPS中的数据更加安全。BCMCPS架构使用了区块链技术进行数据安全传输和存储,而在区块链中,用于数据传输的加密算法是RSA算法。RSA算法的可靠性依赖于对极大整数做因数分解的难度,随着Shor算法的出现和量子计算机研究的深入,利用量子计算的并行性可以快速分解出大数的质因子,这将会对RSA算法的可靠性产生极大威胁。为增强RSA加密技术的安全性,本文将量子密钥分发技术和RSA相结合,在量子密钥分发技术检测信道保障公钥没有被窃取的前提下,设计了一种利用参数替换扩展范围的方法来提高RSA反向解密难度的机制,此机制有三种不同的替换方式,分别是将公钥(n,e)替换为(n,E),将公钥(n,e)替换为(N,e)和将公钥(n,e)替换为(N,E),通过这三种不同的方式将公钥进行隐藏,从而提高RSA反向解析私钥的难度。将三种不同对公钥隐藏的方式和传统RSA反向解析的时间进行对比,实验结果表明,这三种方式都能不同程度地增加RSA反向解析所消耗的时间,提高RSA反向解析的难度,改善RSA安全性。此外,仿真实验证明此机制实现简单而且开销较小,使RSA同时具有优越性和实用性。
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