Введение

Сегодня остро стоит вопрос защиты персональных данных граждан, обрабатываемых в информационных системах. Одним из наиболее важных классов таких систем являются медицинские информационные системы (МИС).

Основная функция МИС [1-5] – поддержка деятельности лечебного учреждения. Главное отличие такой системы от других программных продуктов прежде всего в том, что в ней хранится и обрабатывается персональная и конфиденциальная информация. Юридически медицинские сведения о пациентах относятся к информации, составляющей профессиональную тайну, доступ к ней ограничен и регламентируется действующим законодательством [6]. В соответствие с этим в МИС обязательно должен быть реализован ряд мер по обеспечению безопасности, как информации, так и информационной системы в целом, в противном случае использование данной МИС неправомерно. Поэтому обеспечение безопасности и конфиденциальности данных – одно из ключевых требований, предъявляемых к современной МИС, а также реализация в информационно-коммуникационных и вычислительных системах данного условия являются актуальными задачами [7].

На текущий момент защита личных данных в МИС представлена двумя базовыми аспектами. Первым из них является этический (профессиональный) аспект взаимодействия врача и пациента, который регулируется нормами врачебной этики и законом о защите личных данных пациентов. Второй аспект представляет собой защиту информации в медицинской системе с технической точки зрения, то есть, здесь речь идет о создании адекватных механизмов защиты данных непосредственно в рамках программно-аппаратного комплекса информационной системы [8, 9].

Считается, что до 60% утечек медицинской информации происходит из-за действий медицинских работников, причем, не только лечащих или консультирующих врачей, но и обслуживающего и административного персонала медучреждений. Основные факты нарушения и утечки информации происходят не по каналам связи, как иногда пытаются объяснить, а через конкретных людей, которые выносят сведения за пределы организации. Однако применение адекватных административных мер резко снижает вероятность таких утечек.

По техническим причинам происходит порядка 40% утечек информации: взломы информационных систем злоумышленниками, хищения баз данных и персональных компьютеров и др. Причем технический аспект утечки частной информации поддается контролю существенно хуже субъективных факторов [10].

Сейчас резко увеличивается количество используемой медицинской техники, следовательно, возрастает и значимость организационной и программно-технической защиты от несанкционированного доступа. Сегодня, в большинстве случаев, на этапе проектирования не учитываются вопросы информационной безопасности.

Особенности требований к информационной безопасности передачи данных медицинских приборов обычно включают невысокие требования на криптоустойчивость канала и обеспечение обмена нерегулярными транзакциями малыми объемами информации в реальном времени. Развитые в настоящее время системы скрытия информации представлены системами пакетного кодирования с открытым ключом и плохо подходят для решения таких задач, т.к. требуют предварительного накопления значительных по объему пакетов информации.

Нами разработана система скрытой передачи данных с потоковым кодированием, отличающаяся относительной технической простотой и ориентированная на скрытие информации при передаче данных от медицинского оборудования.

Система передачи информации

В ходе проведенных исследований была разработана и создана система скрытой передачи данных, включающая хаотический передатчик, реализованный в виде радиофизического устройства, проводной аналоговый канал связи и приемник, реализованный на базе 8 битного микроконтроллера (МК) Atmel megaAVR.

Передатчик включает три основных структурных элемента: линию задержки (ЛЗ) с 2 отводами, нелинейный элемент (НЭ) и инерционный элемент. При этом все элементы реализованы в цифровом виде на базе МК Atmel ATmega48PА.

Такая реализация передатчика позволяет использовать ЛЗ длиной в сотни отсчетов дискретного времени, причем длина ЛЗ ограничивается только объемом доступной оперативной памяти МК. Кроме того, цифровая реализация НЭ позволяет осуществлять достаточно сложные нелинейные преобразования сигналов, задавая параметры с высокой точностью. Вместе с тем, наличие аналогового канала позволяет рассматривать передатчик, как полноценное аналоговое радиофизическое устройство и успешно моделировать эффекты, связанные с прохождением хаотических сигналов через аналоговые элементы.

Динамическая переменная x(t) представляет собой знаковое целочисленное 16 битное число. Линейное преобразование сигнала x(t) осуществлялось нами с помощью низкочастотного цифрового фильтра Баттерворта первого порядка.

В зависимости от уровня бинарного информационного сигнала m(t)={0,1}, подаваемого на вывод цифровой линии МК, программа обеспечивает выборку задержанного значения из ЛЗ. Ключ S1 реализован программно.

Сигнал  проходит через НЭ и подвергается нелинейному преобразованию. В работе использовался НЭ с квадратичной нелинейностью. На его выходе присутствует сигнал , где A – масштабный коэффициент (A = 2¹⁴). 

Далее очередная динамическая переменная помещается в ЛЗ.

Для корректного преобразования знакового цифрового сигнала на выходе НЭ униполярным ЦАП значение на выходе НЭ сдвигается на постоянную величину путем добавления к нему 32768 (половина диапазона). Полученный неотрицательный сигнал преобразуется в аналоговый посредством прецизионного 16 битного ЦАП Analog Devices AD5063. в диапазон от 0 В до V_ион В, соответственно. V_ион В – напряжение на выходе встроенного в МК источника опорного напряжения (ИОН) и V_ион =1.1В. Данные в ЦАП передаются через встроенный в МК трехпроводной высокоскоростной интерфейс Serial Peripheral Interface (SPI).

Арифметические вычислении аналогичны используемым в схеме с нелинейным подмешиванием [11], однако задержка реализована по-другому. 

Аналоговый сигнал на выходе ЦАП:

,

где время инерционности фильтра: ε = 2, параметр нелинейности: λ = 1,99, время задержки: τ₁ = 100, τ₂ = 10, масштабный коэффициент: A = 2¹⁴.

В проводной аналоговый канал связи передается сигнал динамической переменной x(t).

Добавление 32768 перед ЦАП является лишь технической операцией, необходимой при использовании ЦАП с униполярным динамическим диапазоном. На динамику системы эта операция не влияет, поэтому она не выписывались явно при выводе уравнения.

Момент запуска очередного преобразования хаотического генератора определялся с помощью точного 16 битного таймера, встроенного в МК. Частота прерывания таймера 1кГц., т.е. время выборки ∆t =1мс.

Приемник в системе скрытой передачи был реализован на базе одного МК Atmel ATmega328Р (рис. 1). Приходящий из канала связи сигнал , где  – шум канала связи, оцифровывается встроенным в МК 10 битным АЦП. Периодический запуск АЦП осуществляется с помощью 16 битного таймера с частотой 1кГц, а вычисления проводятся в обработчике прерывания таймера. В качестве опорного напряжения АЦП использует V_ион от встроенного ИОН, время выборки АЦП приемника задается равным времени прерывания таймера передатчика ‑ ∆t. Оцифрованные значения сдвигались на 6 бит, чтобы динамическую переменную  вписать в 16 бит. Затем помещаются в ЛЗ.

После каждой очередной выборки в соответствии с разработанным алгоритмом арифметико-логическое устройство (АЛУ) последовательно извлекает из ЛЗ значения  и . После извлечения из ЛЗ каждое из этих значений проходит НЭ и цифровой фильтр (ЦФ) и вычитается из . Далее результат вычислений помещается в кольцевые буферы: БУФЕР 0 для задержки k₁ и БУФЕР 1 для задержки k₃. НЭ и ЦФ приемника выполнялся идентичным НЭ и ЦФ передатчика. В случае идентичности параметров приемника и передатчика, при отсутствии в системе передаче неучтенных шумов и искажений сигнала, при установке m(t) = 0 (времени запаздывания генератора передатчика равном k₁) значения, помещаемые в БУФЕР 0 после короткого переходного процесса будут строго равны 0. Значения же помещаемые при этом в БУФЕР 1 будут отличны от 0, так как приемник, имеющий время запаздывания k₃, не будет синхронизоваться сигналом передатчика, время запаздывания которого задано равным k₁).

Рис. 1 Схема приемника системы скрытой передачи данных.

При m(t) = 1, соответственно наоборот, будет синхронизоваться контур приемника с временем запаздывания k₃, поэтому в БУФЕР 1, будут помещаться нулевые значения, а в БУФЕР 0 – ненулевые.

В таких условиях, один из контуров оказывается избыточным. Однако для любой реальной системы передачи наличие измерительных шумов в канале связи будет приводить к тому, что даже при идентичности времен запаздывания генератора передатчика и контура в приемнике значение на выходе этого контура будет отличным от нуля. Полагая шумы канала связи статистически независимыми от хаотического сигнала несущей в канале связи, можно оценить дисперсию такого ненулевого сигнала на выходе контура приемника величиной порядка дисперсии этих шумов. 

Поэтому, для борьбы с шумами, оказалось необходимо, ввести избыточность, дополнительные элементы в приемник и специальную процедуру обработки.

Дисперсия сигнала на выходе несинхронизованного контура приемника оказывается близкой к дисперсии хаотической несущей, а для синхронизованного контура, в силу приведенных выше соображений, близкой к дисперсии шума канала связи. Предполагая, что последняя имеет интенсивность меньшую, чем дисперсия несущей, была предложена следующая процедура выделения информационного сигнала в приемнике.

В кольцевых буферах накапливаются данные и после помещения в буфер каждого нового i-го значения по накопленным в буферах последовательностям отсчетов рассчитываются значения эмпирической оценки дисперсии (далее, просто “дисперсии”) сигналов  для данных из буфера БУФЕР 0 и  ‑ для БУФЕР 1. Далее вычисляется . Если ∆σ > 0, то считается, что передается логическая 1, т.е. значение выделенного информационного сигнала  и высокий логический уровень выставляется на выводе цифровой линии МК. Если ∆σ < 0, то  и на выводе цифровой линии выставляется низкий уровень.

Длина информационных битов фиксирована и равна 100 дискретным отсчетам АЦП, т.е. составляет 100 мс. Длина каждого из буферов БУФЕР 0 и БУФЕР 1 установлена равной длине информационного бита. Такая организация кольцевых буферов и алгоритма работы с ними эквивалентна расчету  и  в скользящих окнах шириной 100 отсчетов со сдвигом на один дискретный отсчет.

Для имитации зашумленности канала связи использовался аналоговый генератор шума Agilent Technologies 81150А. Также была разработана и создана схема смешивания несущего и шумового сигналов.

В ходе радиофизического эксперимента был выявлен порог чувствительности к шумам в канале связи, при котором система перестает функционировать. Для этого была посчитана стандартная мера битовых ошибок BER (bit erorr rate). В качестве аддитивного шума использовался гауссовский шум (Gauss(CF 3.1)), смещением 550мВ, входным импедансом 1МОм, выходным импедансом 50Ом двумя способами: без фильтрации (т.е. шум, ограниченный в спектре частотой Найквиста) и в полосе, равной времени инерционности цифрового фильтра хаотического генератора. Показано, что система скрытой передачи информации без ошибок работает при 30% уровне нефильтрованного шума (10 dB) и 20% уровне фильтрованного шума (15 dB) (рис. 2). Это на порядок лучше, чем для системы скрытой передачи из работы [12].

Рис. 2. Зависимости BER от уровня шума.

Для подсчета отношения сигнал/шум, SNR (signal to noise ratio), сигнал канала и сигнал шума оцифровывался. Далее с помощью программы считалось среднеквадратичное отклонение сигнала канала и шума в вольтах. SNR=20*lg(s²_канал/s²_шум). Фильтрованный шумовой сигнал был малоаплитудным, поэтому использовался шум с максимальной амплитудой. Его амплитуда увеличивалась с помощью операционного усилителя. Коэффициент усиления соответственно умножали на s²_шум для расчетов SNR.

Также проведено исследование стабильности работы при изменении амплитуды сигнала в канале. Для систем связи характерно затухание в канале связи. Для хаотических систем это критично. В ходе эксперимента сигнал в канале связи масштабировался с помощью операционного усилителя. Установлено, что при расстройки амплитуды в канале связи на 10%, т.е. при коэффициенте усиления 0,9, BER равен 0 (рис. 2). Для всех расчетов использовались последовательности длиной около 100000 бит.

Случайная битовая последовательность генерировалась следующим образом: с одного из каналов генератора подавался гауссовский шум (Gauss(CF 3.1)) амплитудой 2,2В, смещением 1,1В, входным импедансом 1МОм, выходным импедансом 50 Ом на вход, встроенного в МК компаратора. Шум сравнивался относительно опорного напряжения МК в 1,1В. Если шум был больше по амплитуде, тогда на цифровую ногу контроллера, имитирующую информационный вход, выставлялась логическая единица. И наоборот, если шум был меньше по амплитуде опоры, то логический уровень опускался.

Заключение

Разработан и создан лабораторный макет радиофизической системы скрытой передачи информации с модуляцией времени запаздывания хаотического генератора информационным сигналом. Предложенная система скрытой передачи подразумевает потоковое кодирование информации с малой задержкой и может использоваться для скрытия канала передачи информации от медицинского оборудования. Система отличается технической простотой и может быть реализована на базе простых низкопотребляющих 8 битных микроконтроллерах Atmel, что позволяет встраивать ее даже в носимые медицинские устройства.

Экспериментально показано, что система позволяет без ошибок (BER не ниже 10^-5) передавать данные при наличии в канале шумов и искажений на уровне 10 дБ, при этом информационный сигнал передается на скорости около 1Кбод.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант № 14-12-00324.