Σχεδίαση και υλοποίηση μηχανισμών ασφάλειας για διάχυτες υπηρεσίες υγείας πάνω σε δίκτυα επόμενης γενιάς

Abstract

In this dissertation, Security Mechanisms are proposed for the development of secure and reliable pervasive healthcare services over Next Generation Networks (NGN). The proposed Security Mechanisms aim at increasing the security level provided by the existing security mechanisms supported by NGN. It is essential since pervasive healthcare services include extremely sensitive information. Furthermore, in this dissertation, a generic application framework is proposed supporting the proposed Security Mechanisms in order the rapid and efficient development of secure and reliable pervasive healthcare services over NGN to be achieved. In particular, the proposed framework is based on the ETSI/Parlay architecture and extends the set of the Service Capability Features Interfaces (SCFs Interfaces) as well as the set of mechanisms supported by the ETSI/Parlay Framework. The proposed framework extends the set of the SCFs Interfaces in order to integrate not only the interfaces related to the services of the underlying network (NGN), but also additional interfaces enabling pervasive healthcare services to access sensing capabilities of sensor networks which are responsible for gathering context and bio information. Moreover, the proposed framework extends the set of mechanisms supported by the ETSI/Parlay Framework to provide pervasive healthcare services not only with the basic mechanisms supported by the standardized ETSI/Parlay Framework, but also with the Sensor Networks Mechanisms and the Security Mechanisms proposed in this dissertation. The proposed Security Mechanisms aim at securing the end-user data as well as the access to the pervasive healthcare services and the use of them. In particular, the proposed Security Mechanisms focus on ensuring data confidentiality, data integrity, authentication and access control of entities participating in pervasive healthcare services. To ensure data confidentiality, a generic encryption schema is proposed. This schema enables the design and implementation of secure personalized block ciphers for encryption of data included in pervasive healthcare services such as patients’ medical records. Moreover, a data integrity mechanism for a tele-monitoring system is proposed. This tele-monitoring system operates in a smart home environment and supports transmission of patient’s biosignals from the patient to the Healthcare Center. Additionally, two authentication mechanisms are proposed. The first mechanism is an intelligent authentication mechanism for e-Hospital applications over WLAN in a hospital. The second mechanism is a group key agreement and recovery mechanism in ad hoc networks used for handling emergency medical incidents in areas without fixed telecommunications infrastructure. Finally, a PKI infrastructure in a large-scale healthcare network connecting a wide spectrum of Healthcare Centers is proposed. The proposed PKI infrastructure focuses on ensuring authentication and access control of healthcare professionals willing to access services related to them as well as healthcare services related to patient.

Στην παρούσα διατριβή προτείνονται Μηχανισμοί Ασφάλειας για την ανάπτυξη ασφαλών και αξιόπιστων διάχυτων υπηρεσιών υγείας πάνω σε Δίκτυα Επόμενης Γενιάς (Next Generation Networks – NGN). Οι προτεινόμενοι Μηχανισμοί Ασφάλειας έχουν ως στόχο να λειτουργήσουν προσθετικά στο επίπεδο ασφάλειας που προσφέρουν οι υπάρχοντες μηχανισμοί ασφάλειας που υποστηρίζονται από το NGN. Αυτό είναι αναγκαίο καθώς οι διάχυτες υπηρεσίες υγείας εμπεριέχουν ιδιαιτέρως ευαίσθητη πληροφορία. Επιπρόσθετα, στην παρούσα διατριβή προτείνεται ένα γενικό πλαίσιο εφαρμογής, το οποίο υποστηρίζει τους προτεινόμενους Μηχανισμούς Ασφάλειας, προκειμένου να επιτυγχάνεται γρήγορη και αποτελεσματική ανάπτυξη ασφαλών και αξιόπιστων διάχυτων υπηρεσιών υγείας πάνω σε NGN. Πιο συγκεκριμένα, το προτεινόμενο πλαίσιο βασίζεται στην αρχιτεκτονική του προτύπου ETSI/Parlay και επεκτείνει το σύνολο των Διεπαφών των Χαρακτηριστικών Ικανότητας Υπηρεσίας (Service Capability Features Interfaces – SCFs Interfaces) και το σύνολο των μηχανισμών που υποστηρίζει το Πλαίσιο ETSI/Parlay. Το προτεινόμενο πλαίσιο επεκτείνει το σύνολο των Διεπαφών των Χαρακτηριστικών Ικανότητας Υπηρεσίας προκειμένου αυτό να περιλαμβάνει όχι μόνο τις διεπαφές που σχετίζονται με τις υπηρεσίες του υποκείμενου δικτύου (NGN), αλλά και επιπλέον διεπαφές που δίνουν τη δυνατότητα σε διάχυτες υπηρεσίες υγείας να έχουν πρόσβαση σε ικανότητες επαίσθησης (sensing capabilities) δικτύων αισθητήρων που είναι υπεύθυνα για τη συλλογή πληροφορίας περιβάλλοντος καθώς και βιοπληροφορίας. Επίσης, το προτεινόμενο πλαίσιο επεκτείνει το σύνολο των μηχανισμών που υποστηρίζει το Πλαίσιο ETSI/Parlay προκειμένου να είναι δυνατή η παροχή σε διάχυτες υπηρεσίες υγείας όχι μόνο των βασικών μηχανισμών, που υποστηρίζονται από το προτυποποιημένο Πλαίσιο ETSI/Parlay, αλλά και των Μηχανισμών Δικτύων Αισθητήρων καθώς και των Μηχανισμών Ασφάλειας, οι οποίοι προτείνονται στην παρούσα διατριβή. Οι Μηχανισμοί Ασφάλειας, οι οποίοι προτείνονται, στοχεύουν στην παροχή ασφάλειας στα δεδομένα των τελικών χρηστών καθώς και στην ασφαλή πρόσβαση στις διάχυτες υπηρεσίες υγείας και στην ασφαλή χρήση τους. Πιο συγκεκριμένα, οι προτεινόμενοι Μηχανισμοί Ασφάλειας επικεντρώνονται στη διασφάλιση της εμπιστευτικότητας των δεδομένων, της ακεραιότητας των δεδομένων, της πιστοποίησης αυθεντικότητας καθώς και του ελέγχου πρόσβασης των οντοτήτων που συμμετέχουν σε διάχυτες υπηρεσίες υγείας. Για τη διασφάλιση της εμπιστευτικότητας των δεδομένων προτείνεται ένα γενικό σχήμα κρυπτογράφησης. Αυτό το σχήμα επιτρέπει το σχεδιασμό και την υλοποίηση ασφαλών εξατομικευμένων κρυπτογραφικών αλγορίθμων τμήματος για την κρυπτογράφηση δεδομένων διάχυτων υπηρεσιών υγείας, όπως οι ιατρικοί φάκελοι των ασθενών. Επίσης, προτείνεται ένας μηχανισμός για διασφάλιση της ακεραιότητας των δεδομένων για σύστημα ιατρικής τηλε-παρακολούθησης. Αυτό το σύστημα τηλε-παρακολούθησης λειτουργεί σε περιβάλλον έξυπνου σπιτιού και υποστηρίζει τη μεταφορά βιοσημάτων του ασθενή από τον ασθενή στη Μονάδα Παροχής Υπηρεσιών Υγείας. Επιπρόσθετα, προτείνονται δύο μηχανισμοί για διασφάλιση της πιστοποίησης αυθεντικότητας. Ο πρώτος μηχανισμός είναι ένας ευφυής μηχανισμός πιστοποίησης αυθεντικότητας για εφαρμογές e-Hospital πάνω σε WLAN μέσα σε νοσοκομείο. Ο δεύτερος μηχανισμός είναι ένας μηχανισμός συμφωνίας κλειδιού ομάδας και ανάκτησης σε ad hoc δίκτυα, που χρησιμοποιούνται κατά τη διαχείριση ιατρικών συμβάντων έκτακτης ανάγκης σε περιοχές στις οποίες δεν υπάρχει σταθερή τηλεπικοινωνιακή υποδομή. Τέλος, προτείνεται μία υποδομή PKI σε ένα ιατρικό δίκτυο μεγάλης κλίμακας που συνδέει ένα ευρύ φάσμα από Μονάδες Παροχής Υπηρεσιών Υγείας. Η προτεινόμενη υποδομή PKI εστιάζεται στη διασφάλιση της πιστοποίησης αυθεντικότητας και του ελέγχου πρόσβασης των επαγγελματιών του χώρου της υγείας που επιθυμούν να αποκτήσουν πρόσβαση σε υπηρεσίες που σχετίζονται με αυτούς καθώς και σε υπηρεσίες υγείας που σχετίζονται με τον ασθενή.