基于邊緣計算的現代醫療隱私保護技術研究

孫葉 浮盼盼

摘 要：隨著社會的進步，對醫療信息化的要求已經從匯集數據的簡單應用邁入到了數據利用階段，由傳統的單體醫院服務模式邁入了區域醫療服務模式，渴望使用信息化的手段來為解決異地患者的便捷就醫，實現服務的延伸，而這些相關的互聯網+應用，均需要極高的網絡帶寬支撐和極低時延的數據響應。在醫療信息行業，對患者的數據安全防護是十分重視的，利用邊緣計算，能夠避免隱私泄露或數據丟失，節省儲存空間，精準地存儲很少訪問的數據，改善了云計算的集中式大數據處理、成本、性能與安全性等問題。

關鍵詞：大數據;邊緣計算;隱私安全

一、引言

統的云計算在安全、負載、接口、標準、服務、實時性等上有所落后，利用邊緣計算能夠將產生的本地數據經過處理后進行云端傳輸，本地數據中心外圍應用和處理平臺將本地數據中心和公有云分隔開來，保證安全性。僅依靠云計算已經無法滿足萬物互聯的需求，而且大量邊緣設備的出現也催生了對低延遲和高隱私的需求。如果能夠利用邊緣設備已有的計算能力，將原有云計算的部分或全部任務遷移到數據源附近執行，不僅可以減小云計算中心的壓力，還可以降低系統延遲并減少帶寬負載。

二、邊緣計算的作用與益處

協同邊緣是連接多個數據擁有者的邊緣，這些數據擁有者在地理位置上是分布的，但具有各自的物理位置和網絡結構，終端用戶可以通過預先定義的服務接口獲取虛擬共享數據，而服務應用程序則可以通過這些公共接口提供終端用戶所需要的復雜服務。這些公共服務有協同邊緣架構中參與者提供，并且計算任務只會在參與者的數據設備內部執行，而對終端用戶是透明的，由此確保了數據的隱私性和完整性，不僅防止了病歷被不法分子竊取和篡改，也使得其他的醫療機構可以獲取病人的信息，從而使病人能夠接受更好的治療。我們相信，邊緣計算也將會帶動其他行業蓬勃發展，打造更智能、更安全的世界。

三、邊緣計算對隱私保護的作用

（一）邊緣計算架構

邊緣計算中的“邊緣”是相對概念，指從數據源到云計算中心數據路徑之間的任意計算資源和網絡資源，邊緣計算允許終端設備將存儲和計算任務遷移到網絡邊緣節點中，如基站（BS）、無線接入點（WPA）、邊緣服務器等，既滿足了終端設備的計算能力擴展需求，同時有效地節約計算任務在云服務器和終端設備之間的傳輸鏈路資源。其體系架構如圖1所示，主要包括核心基礎設施、邊緣數據中心、邊緣網絡和移動終端這4個功能層次。

（1）核心基礎設施為網絡邊緣設備提供核心網絡接入以及集中式云計算服務和管理功能。其中，核心網絡主要包括互聯網絡、移動核心網絡、集中式云服務和數據中心等。在邊緣計算服務模式下，允許多個云服務提供商同時為用戶提供集中式的存儲和計算服務。因此可以通過部署多層次的異服務器，來實現在各服務器之間的大規模計算遷移，而且能夠為不同地理病患提供實時服務。

（2）邊緣數據中心負責虛擬化服務和多個管理服務，是邊緣計算中的核心組件之一，由基礎設施提供商部署，搭載多租戶虛擬化基礎設施，從第三方服務提供商到終端用戶以及基礎設施提供商自身都可以使用邊緣數據中心提供的虛擬化服務。此外，網絡邊緣側往往會部署多個邊緣數據中信，這些數據中心在自主行動的同時又相互協作，但不會跟傳統云端斷開連接。因此，研究邊緣計算環境下的數據安全與隱私保護技術是保證邊緣計算得以持續發展的重要支撐。

（3）邊緣網絡計算通過融合多種通信網絡來實現物聯網設備和傳感器的互聯，從無線網絡到移動中心網絡再到互聯網絡，在這種融合的網絡構架中，其中網絡基礎設施極易受到攻擊，不法分子可以對其中的任何一個網絡單元發起攻擊。邊緣網絡中面臨的主要安全威脅包括拒絕服務攻擊、中間人攻擊和偽造網等。

（4）移動終端包括連接到邊緣網路中的所有類型的設備，它們不僅是數據使用者的身份，還可以扮演數據提供者參與到各個層次的分布式基礎設施中去，移動終端的安全威脅主要有終端安全和隱私保護等。具體包括信息注入、隱私泄露、惡意代碼攻擊、服務操縱和通信安全等。

（二）隱私安全保護研究的核心框架

（1）數據安全：保證病患的數據具有保密性，實現安全共享而不暴露用戶的隱私信息，其中還能通過數據的審計確保數據傳輸的完整性，利用邊緣服務器龐大的計算資源來實現密文上關鍵字的查找。

（2）隱私保護：保證病患的數據、位置和身份信息是保密的，不可以被不法分子竊取。

（3）身份認證：在不泄露患者隱私信息的前提下進行患者身份的匿名認證，其中有單一域內認證、跨域身份認證和混合認證3種。

（4）訪問控制：即對病患和醫生身份的屬性與其他的角色權限訪問不同的數據，確保患者數據不被惡意攻擊和信息流出，造成不必要的損失。

四、如何更好地利用邊緣計算

（一）本地存儲病患隱私數據保護方法

此類數據通常指使用第三方應用程序后保存在終端的歷史記錄，比如病患的掛號信息、個人隱私、病況信息等。如圖3所示，這些數據都容易被第三方應用程序調取后，容易被發送到云端服務器進行計算和存儲，從而導致隱私數據存在被暴露的風險。同時，終端從云端服務器下載數據文件時，存在數據被竊聽或篡改的可能性。

針對上述風險，本項目擬采用邊緣計算平臺作為歷史數據文件管理系統和網絡數據安全監測系統，對云端服務器發出的上傳數據請求進行控制，同時對從云端服務器下載的數據文件進行安全檢查，從而降低病患數據被暴露的風險。

如圖4，在邊緣設備平臺中搭建一套隱私數據文件管理系統，當本地數據被云端服務器調用時，首先通過邊緣設備向用戶發送指令來確定此類數據是否可以被調用，再將反饋結果傳送至云端服務器;當從云端加載數據文件時，邊緣設備作為網絡數據安全監測系統對該文件進行安全檢測，防止文件在下載過程中被竊聽或篡改，具體步驟如下：

（1）終端A通過Socket連接至邊緣設備管理系統;

（2）邊緣設備在后臺對相關隱私數據文件進行監聽;

（3）當發現文件有被上傳至云端服務器的請求時，開啟攔截功能，并咨詢用戶相關的數據文件調用許可;

（4）邊緣設備將反饋結果傳送至云端服務器;

（5）當終端A從云端加載數據文件時，邊緣設備開啟檢測功能，對文件進行安全檢測;

（6）邊緣設備將檢測結果傳送至終端A。

分析以上步驟，該方法的核心思想在于用戶產生的數據應該為用戶所有，網絡邊緣設備不僅僅作為一個數據處理平臺更要保障用戶有權限限制服務提供商使用這些數據，同時在從服務商處調取數據時，理應對所下載的文件進行安全測試，防止被監聽或篡改。這種本地與網絡的隔離性也是邊緣計算的核心內容之一。

（二）即時通信類隱私數據保護方法

利用邊緣計算設備搭建局域通信網絡，使得在同一個局域網下的終端設備通過Socket與邊緣設備服務器進行連接，自主選擇通信目標，建立點對點的私有通信線程。這樣消息數據不再需要通過云服務器轉發，只在邊緣設備之間進行傳遞。除了作為數據中轉中心，邊緣設備平臺也是數據加密中心。對接收和發送的數據，邊緣設備平臺始終進行加密傳輸，使得無論是終端通信之間的數據傳輸，還是邊緣設備平臺與云端服務器之間的數據傳遞，隱私數據一直在加密保護之下。這種方法不僅緩解了云端服務器的通信壓力，也同時降低了隱私通信數據被暴露的風險。

如圖5所示，當終端A、終端B、終端C處于邊緣設備所覆蓋的同一無線局域網時，可以通過Socket與作為服務端的邊緣設備建立連接，從而可以通過服務端向指定終端發送數據。以終端A、終端B為例，兩者通過如下步驟實現即時通訊：終端A、B與邊緣設備服務器建立連接;終端A輸入接收信息的好友ID以及發送內容;邊緣設備服務器收到終端A發來的信息，進行加密后，發送給終端B，終端B接收信息。終端A發送的數據僅通過邊緣服務器中轉后直接發送給終端B，過程中并沒有經過云端服務器。并且邊緣服務器在收到消息后，對數據進行了加密處理，這樣不僅保護了即時通訊中的數據安全，而且當云端服務器調取邊緣平臺的處理結果時，數據仍然處在加密保護的狀態下，進一步提升了邊緣設備平臺保護隱私數據的能力。

五、結語

由此確保了數據的隱私性和完整性，不僅防止了病歷被不法分子竊取和篡改，也使得其他的醫療機構可以獲取病人的信息，從而使病人能夠接受更好的治療。我們相信，邊緣計算也將會帶動其他行業蓬勃發展，打造更智能、更安全的世界。

參考文獻：

[1]王倩倩邊緣計算中的安全與隱私保護技術研究 金陵科技學院軟件工程學院，2020.

[2]王劍面向邊緣計算的隱私保護密鑰分配協議，南京信息工程大學江蘇省網絡監控工程中心，2021

[3]劉慶祥基于聯邦學習的邊緣智能協同計算與隱私保護方法 計算機集成制造系統2021.