基于分割的云存儲醫(yī)療大數(shù)據(jù)分級保密模型設(shè)計

殷亞萍 凌毅德 朱芳華

摘要：為提高在云存儲環(huán)境中具有密度高、關(guān)聯(lián)復(fù)雜的醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)安全保密級別，基于數(shù)據(jù)分割和等級關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)，以數(shù)據(jù)加密的隱私保護(hù)算法為支持，提出了一種新的大數(shù)據(jù)資源的隱私保密模式。從云環(huán)境下醫(yī)療大數(shù)據(jù)特征入手，分析云存儲中數(shù)據(jù)隱私保護(hù)機(jī)制，提出基于分割的云存儲數(shù)據(jù)分級保密模型，大大提高了數(shù)據(jù)的安全性。研究表明，該模型可以有效保護(hù)數(shù)據(jù)安全和隱私，提高云端數(shù)據(jù)的安全程度及提高執(zhí)行效率。

關(guān)鍵詞：云存儲；數(shù)據(jù)分割；分級加密；隱私保護(hù)；醫(yī)療大數(shù)據(jù)

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2021）03-65-3

0引言

近年來，云計算已在醫(yī)療信息化建設(shè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。云存儲、管理、集成共享技術(shù)和健康醫(yī)療業(yè)通過高效、準(zhǔn)確和深度融合，滿足了病人就診、優(yōu)化醫(yī)療衛(wèi)生業(yè)務(wù)流程及提高服務(wù)效率等方面的要求，促進(jìn)了醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)模式和管理方面的深刻變化，也為促進(jìn)業(yè)內(nèi)健康的快速發(fā)展，提供有力支持。我國將健康醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)定位為“國家重要的基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源”，安全是健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)的核心基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)安全的重要性不斷凸顯，直接系著國家安全[1]。

云計算可以使大數(shù)據(jù)的提取與分析成為可能，實現(xiàn)了云端的健康醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)存儲。云存儲系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)安全問題的核心是數(shù)據(jù)管理權(quán)和所有權(quán)的分離，云服務(wù)提供商獲得數(shù)據(jù)的優(yōu)先訪問權(quán)，由于內(nèi)部存在問題，因此數(shù)據(jù)安全存在問題[2]。基于上述分析，提出改進(jìn)的分離存儲方法，即真實的數(shù)據(jù)在客戶端分割后加密傳輸?shù)皆拼鎯Ψ?wù)器，數(shù)據(jù)目錄信息保存于本地。這種方式實現(xiàn)了文件數(shù)據(jù)與元數(shù)據(jù)割離，使服務(wù)商無法獲取元數(shù)據(jù)，再對分割數(shù)據(jù)分級加密上傳，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)上傳到云端后的安全性。

1醫(yī)療大數(shù)據(jù)特性

醫(yī)療大數(shù)據(jù)平臺對全院數(shù)據(jù)采集、清洗、形成云存儲數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心邏輯串聯(lián)后形成以患者就診為核心的資源中心，具有以下幾個特點：

①多態(tài)性：區(qū)別于其他大數(shù)據(jù)最明顯的特性，同一就診序號對應(yīng)的數(shù)據(jù)既包含真實姓名、身份及年齡等純文本型數(shù)據(jù)，又包含B超、CT、MR等圖形數(shù)據(jù)，還包括各類檢測的生理生化的數(shù)字型數(shù)據(jù)。

②冗余性：相同的患者不同時間、不同醫(yī)院就診會產(chǎn)生相同信息、不相關(guān)信息和矛盾信息。

③不完整性：部分醫(yī)療數(shù)據(jù)，在記錄時產(chǎn)生的信息有缺失，應(yīng)用共享時不能反映出本身不完整性。

④時間性：心腦血管等疾病發(fā)生、就診均在一定時間內(nèi)產(chǎn)生，數(shù)據(jù)具有時序性。

2體系架構(gòu)

基于分割的云存儲分級數(shù)據(jù)隱私保護(hù)模型是基于客戶端/服務(wù)器模型構(gòu)建的，客戶端包括分割模塊和分級加密模塊；服務(wù)器是指云端處理系統(tǒng)，包括分塊模塊和存儲模塊[3]，體系架構(gòu)如圖1所示。

3關(guān)鍵模塊

3.1分割模塊

在大數(shù)據(jù)分割過程中，通過固定大小分割和非固定大小分割2種方式將文件在上傳前根據(jù)情況分割成大、小數(shù)據(jù)庫。

①固定大小：產(chǎn)生0～（文件尺寸）之間的隨機(jī)序列，長度與小塊數(shù)據(jù)的大小相等；從小到大地排列隨機(jī)數(shù)據(jù)，得到字節(jié)所在的位置；將對應(yīng)的字節(jié)位置由原文件分割，并與順序序列的隨機(jī)數(shù)字節(jié)保存，作為一個小塊的數(shù)據(jù)；將分割過的文件視為大量數(shù)據(jù)。

②不固定大小：自動將文件的大小設(shè)置為隨機(jī)數(shù)范圍（1～10），隨后生成一組隨機(jī)數(shù)，將此值作為抽取位置的增量，滿足隨機(jī)數(shù)的范圍。依次從固定的位置中抽取一個字節(jié)，使該位置和隨機(jī)數(shù)一起獲得下個字節(jié)的位置，直到該位置比待上傳的數(shù)據(jù)小得多；再將相應(yīng)位置的字節(jié)從原始文件中分離出來，并與順序序列的隨機(jī)數(shù)字排列合并，作為一個小塊的數(shù)據(jù)，將原文件分割成大量的文件。

3.2分級加密模塊

根據(jù)醫(yī)療大數(shù)據(jù)特性，本分級加密模塊采用3種不同程度的加密算法，安全級別如下：

①低級：基于TEA算法的加密機(jī)制，這種機(jī)制的安全程度相對比較低，但處理速度占非常大的優(yōu)勢，適合隱私要求相對低的數(shù)據(jù)。

②中級：基于數(shù)據(jù)染色的加密機(jī)制，安全性適中，計算難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)加密計算，適合隱私要求普通的數(shù)據(jù)。

③高級：基于高度橢圓三角曲線數(shù)據(jù)加密的高級算法，應(yīng)用此加密算法時數(shù)據(jù)安全性最高，但數(shù)據(jù)處理速度有所減慢，適合對個人隱私極高安全要求的用戶數(shù)據(jù)處理[4]。

當(dāng)客戶端上傳文件時，提取對應(yīng)的上傳文件分割成大量的數(shù)據(jù)，分級加密模塊啟動用戶的數(shù)據(jù)和選擇安全戰(zhàn)略，根據(jù)用戶的選擇使用相應(yīng)算法處理上傳數(shù)據(jù)，并維護(hù)安全戰(zhàn)略映射表，保存與本地相對應(yīng)的參數(shù)。

在下載文件時，當(dāng)密文被下載到本地后，分級加密模塊可快速查找文件、加密策略映射表、加密及解密文件生成大量數(shù)據(jù)。

加密過程中的加密算法基于本地小塊數(shù)據(jù)生成，通過對此項數(shù)據(jù)塊進(jìn)行Hash操作，生成128位數(shù)值作為TEA的密鑰。

4基于加密的隱私保護(hù)算法

4.1 TEA加密算法

TEA是一種小型分組對稱加密算法，其明文密分組長度64 bit，密鑰長度128 bit。利用不斷增加的Delta值作為變化，使每輪加密迭代次數(shù)改變[5]。算法特征存在0x9e3779b9，核心加密算法，如下：