EHRChain: A Blockchain-Based EHR System Using Attribute-Based and Homomorphic Cryptosystem 阅读笔记

EHRChain: A Blockchain-Based EHR System Using Attribute-Based and Homomorphic Cryptosystem

{2021},{Fengqi Li, Kemeng Liu, Lupeng Zhang, Sikai Huang, and Qiufan Wu},{IEEE Transactions on Services Computing ,TSC}

{Li F, Liu K, Zhang L, et al. EHRChain: A Blockchain-based EHR System Using Attribute-Based and Homomorphic Cryptosystem[J]. IEEE Transactions on Services Computing, 2021.}

1. Research Objective

目标： 实现医疗数据的安全性、保密性、完整性、细粒度的访问控制和可靠的数据共享

2. Problem Statement

• 随着技术的发展，医疗机构开始使用电子病历管理系统来收集和管理患者的个人信息

  • 第三方非医疗机构通过EHR 检查患者的病历，可能泄露患者的隐私数据
  • 医疗数据的集中存储， 存在严重的黑客攻击和数据泄露风险

• EHR 具体存在以下问题：

  • EHR 系统大多集中在医疗机构、患者的病历分散在不同的医疗机构

    • 患者无法直接访问和控制自己的病历

    • 患者无法建立完整的终身医疗记录

    • 医疗机构难以安全共享数据和互操作

      • EHR 系统管理员可以直接修改医疗数据

      • 在医疗纠纷中，司法很难维持中立性

      • 第三方非医疗机构在理赔和查看患者病历时，侵犯患者的隐私

  医疗行业迫切需要解决EHR的安全存储、可靠共享、访问控制和隐私保护问题！

• 目前已有一些医疗数据管理系统致力于解决这些问题

  • Apple’s Mobile Healthcare Application——提供数据不准确，已下架
  • Blue Button Connector a US government-led project——数据在中心化系统中明文流通
  • Google Health——跟踪、评估数据，推荐产品进行盈利

​ 然而这些解决方案在可靠性、安全性和可追溯性方案不能满足医疗数据管理系统的要求

3. Methods

• 提出基于区块链的属性基加密和同态加密的EHR管理系统

  • Blockchain+IPFS的病历存储方案

  • 改进了CP-ABE密文策略加密技术，设计一种半策略隐藏和同态权限更改的SHDPCPC-CP-ABE

  • 基于前人改进的Paillier同态加密技术

• 改进的SHDPCPC-CP-ABE加密算法

• 系统架构
  • 一共有五个实体：Patient、Doctor、Insurance Company、Fabric、IPFS
    • Pat.可以更改访问策略，并授权医院的医生读取自己的病历
    • Doc.和Pat.互传S-C-A加密的病历
    • Pat.用SHDPCPC-CP-ABE下对病历进行加密，加密数据存储在IPFS
    • IPFS计算的hash index存储在Fabric
    • Doc.和IC基于Paillier对比Pat.病历

• Blockchain+IPFS的存储数据

  • IPFS的Merkle DAG存储密文CT、Blockchain存储 hash index

    0. Doc.诊断后生成新的医疗记录

    1. Doc.用对称密钥加密医疗记录，并使用患者的公钥加密医疗数据

    2. Pat.加密得到CT，提交到IPFS

       Pat.通过S-C-A的Encrypt算法输出密文ct，并将密文提交到IPFS。然后IPFS将返回一个hash index到患者实体。

    3. Pat.发起交易，将hash存储到SC

    4. Fabric peer和orderer后形成账本

    5. Pat.将SC添加结果通知给Doc.

       

• 半策略隐藏（semi-policy hiding）和同态权限更改（dynamic permission changing based on partial ciphertext）的SHDPCPC-CP-ABE

SHDPCPC-CP-ABE更改访问策略

0. Doc.发起访问请求

1. Pat.收到请求,更改访问策略,重新生成CT，替换部分CT 1.2更新IPFS密文

2. 更新SC中的hash index，更新Blockchain的状态数据库

3. Pat.向Doc.发授权完成通知、pk、msk

4. Doc.调取SC，检索CT

5. Doc.解密获得明文

• 改进的Paillier同态加密技术

  jiang等人提出的Paillier公钥概率加密系统的改进是本文主要使用的同态加密算法。

  该方案由以下四种算法组成：
  

  
  

  安全索赔

  0. Pat.出请求，保险公司用Paillier加密疾病数据

  1. 保险公司给Doctor发送SC和PK

  2. Doc.计算()并比对保险公司发送的疾病数据

  3. 保险公司解密A[n]，为0则理赔

  4. 若保险公司质疑Pat.的索赔，可调用SC审计，经过Pat.同意，可查看病历的修改历史

4. Evaluation

• 正确性分析

  • SHDPCPC-CP-ABE：根据CT/sk=M，计算密文数据即可得到明文数据
  • 安全索赔：保险公司获取Doc.发回的数据，解密后数据为0，则表示为对比结果为同一疾病

• 安全分析

  • SHDPCPC-CP-ABE：在选择明文攻击（IND-CPA）下具有不可区分性
  • 安全索赔：保险公司不能从Doc.的A[n]中得到明文；医生无法推断Pat.的隐私保险信息

• 隐私分析

  • IPFS保存CP-ABE加密后的碎片化数据，Blockchain只保存IPFS计算的hash
  • SHDPCPC-CP-ABE：用户在解密时，只需要自己的属性集满足，而无法知道其他任何
  • 安全索赔：Doc.只是对密文对比，无法解密，保险公司只能获取结果

• 性能分析

  • 和以下5个算法对基于密文属性的加密的复杂度进行比较

    • 与BCP-ABE2和BKP-ABE2[16]相比， 本算法能够实现半策略隐藏，降低复杂度
    • 与Lai、Js的算法[17]相比，本算法可动态调整访问策略，密钥封装和密文的大小较少
    • 比C-AB/IB-ES[18]的复杂度低 ，只有一个加密算法和密钥封装的密文大小的一半
    

  • 评估该方案和传统CP-ABE在更新访问策略方面的性能

    • 实验设备：MacOS
    

  • 实验数据
    * 使用Java基于配对的密码库 jPBC 1.2.0，随机生成1Mb的明文文本文件 ，在属性和策略数量不同的情况下，基于部分密文验证更改访问策略所需的时间

  

• 改进的Paillier加密效率

  • 加密时候只需要两次乘法运算，进一步提高系统的效率

  • 与[26] 相比效率提升将近了 1倍

• EHRChain系统性能

  • Fig. 8 病历加密-存储在Blockchain中的hash index的时间基本维持在5秒左右

  • Fig. 9 EHRChain系统获取和解密病历的整个过程时间也保持在5秒左右

  • Fig. 10 更改访问策略的整个过程时间约为4.437秒

• 系统中安全索赔过程的运行时间，数据大小=100Mb，处理时间<0.2s

• EHRChain系统的整体性能，每个操作过程中加密技术的时间开销

  • SHDPCPC-CP-ABE的运行时间在0.6s~0.7s之间

  • 改进的Paillier 加密的运行时间在0.01s~0.02s之间

5. Conclusion

• strong Conclusion：

  • 改进的CP-ABE，通过部分密文的修改授权
  • 改进的同态加密可以在密文下对比数据

• weak Conclusion：

  作者未来将研究EHRChain与现有医疗电子病历系统的兼容性，实现更实用性的框架

Reference

[1] 姜正涛,刘建伟,王育民. Paillier-Pointcheval公钥概率加密体制的改进[J]. 计算机工程,2008,34(3):38-39,42. DOI:10.3969/j.issn.1000-3428.2008.03.014.

[2] 徐文玉,吴磊,阎允雪. 基于区块链和同态加密的电子健康记录隐私保护方案[J]. 计算机研究与发展, 2018, 55(10): 2233-2243.

[3] Wang H, Song Y. Secure cloud-based EHR system using attribute-based cryptosystem and blockchain[J]. Journal of medical systems, 2018, 42(8): 1-9.