DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-05130-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40473928
تاريخ النشر: 2025-06-05
المؤلف: Abdullah Ayub Khan وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطبيقات تكنولوجيا البلوكشين والأمان
نظرة عامة
تقدم ورقة البحث نظام مصادقة هجين جديد مصمم لتعزيز الأمان وقابلية التوسع والكفاءة في إنترنت الأشياء الطبية (IoMT). من خلال دمج تقنية البلوكشين، وتحديداً Hyperledger Indy، مع الحوسبة الطرفية، يعالج الإطار المقترح القيود الحرجة المتعلقة بالخصوصية والكمون في تطبيقات IoMT. يسمح استخدام تقنية تشفير هجينة، مثل إعادة تشفير وكيل عتبة NuCypher، بتحقيق توازن بين الأمان القوي والأداء الحسابي، مما يجعله مناسبًا للأجهزة الطبية ذات الموارد المحدودة. تشير النتائج التجريبية إلى أن هذا النظام يحسن كفاءة المصادقة بنسبة 98.33% ويقلل الكمون بنسبة 2.93% مقارنة بالطرق الحالية، مما يضمن سلامة البيانات وشفافيتها بين المرضى ومقدمي الرعاية الصحية والمستشفيات.
في الختام، بينما يحقق الإطار المقترح تقدمًا كبيرًا في تطوير تطبيقات IoMT الآمنة والقابلة للتوسع، هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتحسين أدائه. تشمل الاتجاهات المستقبلية تعزيز تدابير الخصوصية الفعالة من حيث التكلفة، وقابلية التوسع الديناميكية، والاندماج مع الذكاء الاصطناعي وتعلم الآلة، وتحسين كفاءة الطاقة، والنشر والاختبار في الوقت الحقيقي. تمهد هذه العمل الطريق لتطبيقات طبية من الجيل التالي، مع معالجة التحديات الملحة في مشهد IoMT.
طرق
تناقش هذه القسم التقدم في طرق المصادقة المعتمدة على البلوكشين، مع تسليط الضوء على أهميتها في إدارة هرمية الأجهزة وتأمين الشبكات الموزعة، لا سيما ضمن الحوسبة الطرفية وإنترنت الأشياء (IoT). يتم التأكيد على أنظمة الهوية اللامركزية (DID) كوسيلة للكيانات للحفاظ على السيطرة على هوياتها دون سلطات مركزية. يتم استكشاف دمج البلوكشين كطبقة ثقة لإدارة DIDs والاعتمادات التشفيرية، مع دراسات توضح فائدة البلوكشينات المصرح بها مثل Hyperledger Indy لتسجيل والتحقق من DIDs في بيئات IoT ذات الموارد المحدودة. بالإضافة إلى ذلك، تم اقتراح خوارزميات تشفير خفيفة لتمكين المصادقة المعتمدة على البلوكشين للأجهزة ذات الطاقة المنخفضة، بينما ظهرت كودات السلسلة ككيان قابل للبرمجة لتنفيذ سياسات المصادقة عند الحافة.
كما تتناول هذه القسم طرق المصادقة الهجينة التي تجمع بين تقنيات متعددة—مثل القياسات الحيوية، وبنية المفاتيح العامة (PKI)، والأنظمة المعتمدة على الرموز—لإنشاء بيئة مصادقة مرنة وآمنة. هذه الطرق ذات صلة خاصة في السياقات المعقدة مثل البنى التحتية للمؤسسات وأنظمة IoT، حيث غالبًا ما تكون موارد الأجهزة محدودة. يتم الإشارة إلى دمج البيانات السلوكية للمصادقة، جنبًا إلى جنب مع الأساليب التشفيرية الخفيفة، كمنطقة واعدة للبحث. علاوة على ذلك، يتم تسليط الضوء على استخدام معرفات الأجهزة بالتزامن مع المصادقة الفيدرالية، مما يشير إلى أن نظامًا هجينًا يجمع بين تقنية البلوكشين مع التشفير القائم على السمات يمكن أن يعزز التحكم في الوصول والأمان في بيئات الحوسبة الطرفية.
النتائج
تظهر نتائج الدراسة فعالية إطار المصادقة الخفيف المقترح لأجهزة إنترنت الأشياء الطبية (IoMT)، باستخدام Hyperledger Indy بالتزامن مع إعادة تشفير وكيل عتبة NuCypher. تشمل متطلبات الأجهزة للإطار معالج Intel V-Pro من الجيل الثالث عشر، وبطاقة رسومات مخصصة، وسعة تخزين كبيرة. تكشف اختبارات المحاكاة أن الإطار يمكنه التعامل بكفاءة مع طلبات تسجيل أصحاب المصلحة، حيث يتحقق من أكثر من ستة طلبات في أقل من 3 ثوانٍ، محققًا تحسينًا في كفاءة المصادقة بنسبة 98.33% مع تقليل الكمون بنسبة 2.93%.
تشير التحليلات الإضافية إلى أن النظام يمكنه التحقق من 2000 طلب في الثانية، حتى مع وجود أكثر من 60,000 صاحب مصلحة معني. يتفوق الحل المقترح على آليات المصادقة اللامركزية الحالية من حيث اللامركزية، والكمون المنخفض، وقابلية التوسع، ومقاومة التلاعب. من الجدير بالذكر أن الإطار يظهر القدرة على إدارة مجموعات بيانات كبيرة بفعالية، حيث يعالج أكثر من 2000 كتلة بيانات خلال 120 ثانية دون تعطل النظام. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن هذا النهج القائم على البلوكشين الخفيف يعزز بشكل كبير عمليات المصادقة في بيئات IoMT.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة الضوء على التحديات والتقدم في إدارة الموارد ضمن بيئات إنترنت الأشياء الطبية (IoMT)، مع التركيز بشكل خاص على دمج الحوسبة الطرفية وتقنية البلوكشين. يؤكد على الحاجة إلى استراتيجيات فعالة لتخصيص الموارد تتكيف مع أحمال العمل في الوقت الحقيقي لتقليل الكمون في عمليات المصادقة. تحدد الورقة مشكلات التوافق بين أجهزة IoMT المتنوعة وضرورة وجود معايير مفتوحة لتسهيل التكامل السلس مع أنظمة البلوكشين. يصنف المؤلفون تقنيات المصادقة المعتمدة على البلوكشين الحالية إلى مجموعتين: طرق قائمة على الحافة وطرق هجينة، ويقدمون مراجعة نقدية للاقتراحات الحالية، مؤكدين على أهمية بروتوكولات المصادقة الخفيفة التي يمكن أن تعمل بكفاءة في البيئات ذات الموارد المحدودة.
يستفيد الإطار المقترح من Hyperledger Indy وإعادة تشفير وكيل عتبة NuCypher لإنشاء نظام مصادقة هجين قابل للتوسع وآمن. يهدف هذا النظام إلى تعزيز إدارة البيانات والخصوصية مع ضمان معالجة فعالة عند طبقة الحافة، مما يقلل من الكمون والعبء الحسابي. يقدم المؤلفون أساسًا رياضيًا لإطارهم، موضحين أدوار مختلف أصحاب المصلحة وآليات الإجماع المستخدمة للتحقق من المعاملات ضمن شبكة التحالف. ويخلصون إلى أن نهجهم يحسن بشكل كبير كفاءة المصادقة بنسبة 98.33% ويقلل الكمون بنسبة 2.93% مقارنة بالطرق الحالية، بينما يعالج أيضًا القضايا الحرجة المتعلقة بقابلية التوسع والخصوصية والأمان في تطبيقات IoMT. يتم اقتراح اتجاهات البحث المستقبلية لتعزيز أداء الإطار وقابليته للتطبيق، لا سيما في تحسين كفاءة الطاقة ودمج الذكاء الاصطناعي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-05130-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40473928
Publication Date: 2025-06-05
Author(s): Abdullah Ayub Khan et al.
Primary Topic: Blockchain Technology Applications and Security
Overview
The research paper presents a novel hybrid authentication system designed to enhance the security, scalability, and efficiency of the Internet of Medical Things (IoMT). By integrating blockchain technology, specifically Hyperledger Indy, with edge computing, the proposed framework addresses critical limitations related to privacy and latency in IoMT applications. The use of a hybrid cryptographic technique, such as NuCypher Threshold Proxy Re-Encryption, allows for a balance between robust security and computational performance, making it suitable for resource-constrained IoMT devices. Experimental results indicate that this system improves authentication efficiency by 98.33% and reduces latency by 2.93% compared to existing methods, thereby ensuring data integrity and transparency among patients, healthcare providers, and hospitals.
In conclusion, while the proposed framework significantly advances the development of secure and scalable IoMT applications, further research is needed to optimize its performance. Future directions include enhancing cost-effective privacy measures, dynamic scalability, integration with artificial intelligence and machine learning, energy efficiency optimization, and real-time deployment and testing. This work lays the groundwork for next-generation medical applications, addressing the pressing challenges in the IoMT landscape.
Methods
The section discusses advancements in blockchain edge-based authentication methods, highlighting their significance in managing device hierarchies and securing distributed networks, particularly within edge computing and the Internet of Things (IoT). Decentralized Identity (DID) systems are emphasized as a means for entities to maintain control over their identities without centralized authorities. The integration of blockchain as a trust layer for managing DIDs and cryptographic credentials is explored, with studies demonstrating the utility of permissioned blockchains like Hyperledger Indy for registering and validating DIDs in resource-constrained IoT environments. Additionally, lightweight cryptographic algorithms have been proposed to enable blockchain-based authentication for low-power devices, while chaincode has emerged as a programmable entity for implementing authentication policies at the edge.
The section also addresses hybrid authentication methods that combine multiple techniques—such as biometrics, public key infrastructure (PKI), and token-based systems—to create a flexible and secure authentication environment. These methods are particularly relevant in complex contexts like enterprise infrastructures and IoT systems, where devices often have limited resources. The integration of behavioral data for authentication, alongside lightweight cryptographic approaches, is noted as a promising area of research. Furthermore, the use of device-based IDs in conjunction with federated authentication is highlighted, suggesting that a hybrid system combining blockchain technology with attribute-based encryption could enhance access control and security in edge computing environments.
Results
The results of the study demonstrate the effectiveness of a proposed lightweight authentication framework for Internet of Medical Things (IoMT) devices, utilizing Hyperledger Indy in conjunction with NuCypher Threshold Proxy Re-Encryption. The framework’s hardware requirements include a 13th generation Intel V-Pro processor, a dedicated graphics card, and significant storage capacity. Simulation tests reveal that the framework can efficiently handle stakeholder registration requests, validating over six requests in under 3 seconds, and achieving an authentication efficiency improvement of 98.33% while reducing latency by 2.93%.
Further analysis indicates that the system can validate 2000 requests per second, even with over 60,000 stakeholders involved. The proposed solution outperforms existing decentralized authentication mechanisms in terms of decentralization, low latency, scalability, and tamper-resistance. Notably, the framework demonstrates the capability to manage large datasets effectively, processing over 2000 data blocks within 120 seconds without system crashes. Overall, the findings suggest that this lightweight blockchain-based approach significantly enhances authentication processes in IoMT environments.
Discussion
The discussion section of the paper highlights the challenges and advancements in managing resources within Internet of Medical Things (IoMT) environments, particularly focusing on the integration of edge computing and blockchain technology. It emphasizes the need for effective resource allocation strategies that adapt to real-time workloads to reduce latency in authentication processes. The paper identifies interoperability issues among diverse IoMT devices and the necessity for open standards to facilitate seamless integration with blockchain systems. The authors categorize existing blockchain-based authentication techniques into two groups: edge-based and hybrid methods, and provide a critical review of current proposals, underscoring the importance of lightweight authentication protocols that can function efficiently in resource-constrained environments.
The proposed framework leverages Hyperledger Indy and NuCypher’s threshold proxy re-encryption to create a scalable and secure hybrid authentication system. This system aims to enhance data management and privacy while ensuring efficient processing at the edge layer, which minimizes latency and computational load. The authors present a mathematical foundation for their framework, detailing the roles of various stakeholders and the consensus mechanisms employed to validate transactions within the consortium network. They conclude that their approach significantly improves authentication efficiency by 98.33% and reduces latency by 2.93% compared to existing methods, while also addressing critical issues related to scalability, privacy, and security in IoMT applications. Future research directions are suggested to further enhance the framework’s performance and applicability, particularly in optimizing energy efficiency and integrating artificial intelligence.