DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-84713-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39800740
تاريخ النشر: 2025-01-12
المؤلف: Muhammad Asif وآخرون
الموضوع الرئيسي: أمان بروتوكولات المصادقة المتقدمة
نظرة عامة
تقدم ورقة البحث إطار عمل مزدوج للمصادقة من مرحلتين يهدف إلى تعزيز الأمان في شبكات إنترنت الأشياء الطبية (IoMT). يستخدم هذا الإطار تقنية تبادل المفاتيح كيرف إهليلجي ديفي-هيلمان (ECDH) لتبادل المفاتيح بكفاءة خلال مرحلة التسجيل ويستخدم معيار التشفير المتقدم في وضع عداد جالوا (AES-GCM) لتشفير البيانات بشكل آمن خلال التواصل في الوقت الحقيقي. أظهرت المحاكاة الدقيقة أن الإطار المقترح يقلل بشكل كبير من وقت التشفير/فك التشفير بأكثر من 45%، ويخفض التكاليف الحاسوبية الإجمالية بنسبة 45.38%، ويقلل من زمن الاستجابة بنسبة 28.42% مقارنة بالحلول الحالية، مع الحفاظ على نسبة تسليم حزم عالية ودفاعات قوية ضد مختلف التهديدات السيبرانية.
تؤكد الخاتمة على الآثار العملية للإطار في مراقبة الصحة المستمرة وتطبيقات IoMT الحرجة، مشددة على إمكانيته للاعتماد الواسع في أنظمة الرعاية الصحية. ستركز الأعمال المستقبلية على معالجة القيود المتعلقة بكفاءة الطاقة وقابلية التوسع، خاصة مع نمو وتنوع شبكات IoMT. تقترح الورقة استكشاف تقنيات متقدمة مثل البلوكشين وكشف التهديدات المدعوم بالذكاء الاصطناعي لتعزيز الأمان بشكل أكبر والتكيف مع التهديدات السيبرانية المتطورة، بما في ذلك التهديدات المستمرة المتقدمة (APTs) واستغلالات اليوم الصفري. سيكون ضمان قوة التشفير للإطار وقدرته على تلبية معايير الأمان الجديدة أمرًا حاسمًا لاستدامته على المدى الطويل في تأمين بيئات IoMT.
طرق
ت outlines المنهجية المقترحة إطار عمل مزدوج للمصادقة يهدف إلى تعزيز الأمان وكفاءة عمليات إنترنت الأشياء الطبية (IoMT). يركز على دمج تقنيات التشفير المتقدمة وبروتوكولات الاتصال لحماية البيانات الطبية ضد التهديدات السيبرانية مع ضمان نقل البيانات بسلاسة وموثوقية. تم تصميم الإطار لتلبية الطلبات المتزايدة على سلامة بيانات المرضى، مع تحقيق توازن بين الأمان والكفاءة التشغيلية.
المحور الرئيسي لهذه المنهجية هو تطبيق التشفير الحديث، الذي يعد أداة حاسمة لأمان الشبكة في سياق IoMT. يتم تمثيل الإطار بصريًا في الشكل 1، الذي يعرض بنية الاتصالات الآمنة التي تستفيد من تقنيات التشفير والاتصال المتطورة. يتضمن تطوير بروتوكول الأمان الأولي بروتوكول MQTT للتواصل الفعال والآمن، ويتم تقسيم العملية العامة إلى مرحلتين رئيسيتين: مرحلة التسجيل ومرحلة التواصل في الوقت الحقيقي. تسهل هذه الطريقة المنظمة إنشاء منصة آمنة لتواصلات IoMT.
نتائج
في هذا القسم، يتم تحليل أداء الإطار المقترح للمصادقة في إنترنت الأشياء الطبية (IoMT) بدقة من خلال دراسات المحاكاة. يتم تقييم مقاييس رئيسية مثل التكلفة الحاسوبية، وزمن الاستجابة، ونسب تسليم الحزم، واستهلاك الطاقة لتحديد فعالية وكفاءة وأمان الإطار في معالجة ونقل البيانات الطبية في الوقت الحقيقي. تظهر النتائج مرونة النظام ضد التهديدات السيبرانية، مما يبرز قوته في حماية المعلومات الصحية الحساسة داخل شبكات IoMT.
تشير النتائج إلى أن طريقة التشفير وفك التشفير المقترحة، التي تدمج تقنية المصادقة المزدوجة، تعزز الأداء بشكل كبير من خلال تقليل أوقات التشغيل بحوالي 1-5 مللي ثانية، مما يؤدي إلى زمن استجابة قدره 114.59 مللي ثانية. تدعم هذه الكفاءة قدرات معالجة البيانات في الوقت الحقيقي. علاوة على ذلك، يحقق الإطار معدل نجاح في التسليم يتجاوز 99%، متفوقًا على المنافسين في الشبكات المحمولة، مما يضمن نقل البيانات بدقة وفي الوقت المناسب. بالإضافة إلى ذلك، يلتزم الإطار باللوائح الصحية، بما في ذلك HI-PAA وGDPR، مما يضمن الامتثال ومعالجة القضايا القانونية والأخلاقية المرتبطة بتطبيقات IoMT. أخيرًا، يظهر استهلاكًا منخفضًا للطاقة ومتطلبات عرض نطاق ترددي، مما يبرز عمليته للأجهزة الطبية ذات الموارد المحدودة.
نقاش
يسلط قسم النقاش في ورقة البحث الضوء على دمج إنترنت الأشياء الطبية (IoMT) في أنظمة الرعاية الصحية، مشددًا على التحسينات الكبيرة في تقديم الخدمات، ومراقبة المرضى، وإدارة بيانات الصحة. ومع ذلك، فإنه يحدد الأمان، وخاصة في نقل البيانات، كأحد التحديات الحرجة. يستعرض القسم مختلف أطر المصادقة، مشيرًا إلى المساهمات والقيود في الأمن السيبراني. تشمل النتائج الرئيسية فعالية بروتوكولات المصادقة الخفيفة، مثل تلك التي اقترحها أمين وبيسواس، وأطر العمل المعتمدة على ECC من إيمويز وآخرين، التي توازن بين الأمان والأداء التشغيلي. إن ظهور آليات المصادقة ذات العاملين، التي تجمع بين القياسات الحيوية وECC، يعزز الأمان ولكنه يقدم تحديات في التكامل.
تناقش الورقة أيضًا ضرورة الانتقال إلى أطر تشفير مقاومة الكم، كما أبرزها ساجيمون وآخرون، للتخفيف من التهديدات المحتملة من الحوسبة الكمومية. يُعتبر دمج بروتوكولات المصادقة المتقدمة، بما في ذلك البلوكشين والتعلم الآلي لاكتشاف الشذوذ، أمرًا أساسيًا لتحسين أمان IoMT. يُعترف ببروتوكول MQTT لكفاءته في نقل البيانات بشكل آمن، مما يسهل تسجيل الأجهزة والتواصل في الوقت الحقيقي. يظهر الإطار المقترح للمصادقة المزدوجة تكاليف حاسوبية منخفضة وزمن استجابة، مما يضمن معالجة البيانات في الوقت المناسب الضرورية لتطبيقات الرعاية الصحية. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على الحاجة إلى أطر أمان موحدة واعتماد تشفير خفيف لمعالجة التحديات الفريدة التي تطرحها أنظمة IoMT.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-84713-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39800740
Publication Date: 2025-01-12
Author(s): Muhammad Asif et al.
Primary Topic: Advanced Authentication Protocols Security
Overview
The research paper presents a Two-Phase Dual Authentication Framework aimed at enhancing security in the Internet of Medical Things (IoMT) networks. This framework utilizes Elliptic Curve Diffie-Hellman (ECDH) for efficient key exchange during the registration phase and employs the Advanced Encryption Standard in Galois Counter Mode (AES-GCM) for secure data encryption during real-time communication. Rigorous simulations demonstrated that the proposed framework significantly reduces encryption/decryption time by over 45%, lowers overall computational costs by 45.38%, and decreases latency by 28.42% compared to existing solutions, while maintaining a high packet delivery ratio and robust defenses against various cyber threats.
The conclusion emphasizes the framework’s practical implications for continuous health monitoring and critical IoMT applications, highlighting its potential for widespread adoption in healthcare systems. Future work will focus on addressing limitations related to energy efficiency and scalability, particularly as IoMT networks grow and diversify. The paper suggests exploring advanced technologies such as blockchain and AI-driven threat detection to enhance security further and adapt to evolving cyber threats, including advanced persistent threats (APTs) and zero-day exploits. Ensuring the framework’s cryptographic robustness and its ability to meet new security standards will be crucial for its long-term viability in securing IoMT environments.
Methods
The proposed methodology outlines a dual authentication framework aimed at enhancing the security and efficiency of Internet of Medical Things (IoMT) operations. It emphasizes the integration of advanced cryptographic techniques and communication protocols to safeguard medical data against cyber threats while ensuring seamless and reliable data transmission. The framework is designed to meet the increasing demands for patient data safety, balancing security with operational efficiency.
Central to this methodology is the application of modern cryptography, which serves as a critical asset for network security within the IoMT context. The framework is visually represented in Figure 1, showcasing the secure communications infrastructure that leverages cutting-edge cryptographic and communication technologies. The development of the initial security protocol incorporates the MQTT protocol for efficient and secure communication, and the overall process is divided into two key phases: the registration phase and the real-time communication phase. This structured approach facilitates the establishment of a secure platform for IoMT communications.
Results
In this section, the performance of the proposed framework for authentication in the Internet of Medical Things (IoMT) is thoroughly analyzed through simulation studies. Key metrics such as computational cost, latency, packet delivery ratios, and energy consumption are evaluated to determine the framework’s effectiveness, efficiency, and security in real-time medical data processing and transmission. The results demonstrate the system’s resilience against cyber threats, highlighting its robustness in safeguarding sensitive health information within IoMT networks.
The findings indicate that the proposed encryption and decryption method, which integrates a dual authentication technique, significantly enhances performance by reducing operation times by approximately 1-5 milliseconds, resulting in a response time of 114.59 ms. This efficiency supports real-time data processing capabilities. Furthermore, the framework achieves a delivery success rate exceeding 99%, surpassing competitors in mobile networks, thereby ensuring accurate and timely data transmission. Additionally, the framework adheres to health regulations, including HI-PAA and GDPR, ensuring compliance and addressing legal and ethical concerns associated with IoMT applications. Lastly, it demonstrates low energy consumption and bandwidth requirements, underscoring its practicality for resource-constrained IoMT devices.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the integration of the Internet of Medical Things (IoMT) into healthcare systems, emphasizing the significant improvements in service delivery, patient monitoring, and health data management. However, it identifies security, particularly in data transmission, as a critical challenge. The section reviews various authentication frameworks, noting contributions and limitations in cybersecurity. Key findings include the effectiveness of lightweight authentication protocols, such as those proposed by Amin and Biswas, and ECC-based frameworks by Imoize et al., which balance security and operational performance. The emergence of dual-factor authentication mechanisms, combining biometrics with ECC, further enhances security but presents integration challenges.
The paper also discusses the necessity of transitioning to quantum-resistant cryptographic frameworks, as highlighted by Sajimon et al., to mitigate potential threats from quantum computing. The integration of advanced authentication protocols, including blockchain and machine learning for anomaly detection, is noted as essential for improving IoMT security. The MQTT protocol is recognized for its efficiency in secure data transmission, facilitating device registration and real-time communication. The proposed dual authentication framework demonstrates low computational costs and latency, ensuring timely data processing essential for healthcare applications. Overall, the research underscores the need for standardized security frameworks and the adoption of lightweight cryptography to address the unique challenges posed by IoMT systems.