CC BY
17
Ю: 2015-11^-4271-5483 Оригинальная статья
Кульминский Д.Д., Пономаренко В.И., Прохоров М.Д.
Скрытая передача данных в медицинских информационных системах, основанная на хаотических
генераторах
Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского Саратовский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН
Резюме
Разработана и создана цифровая система скрытой передачи информации на базе хаотических генераторов с запаздыванием, обладающая возможностью конфиденциальной передачи данных медицинских информационных систем и медицинского оборудования.
Ключевые слова: скрытая передача данных, медицинские информационные системы
Введение
Развитие высоких технологий не оставило в стороне такую социально-значимую сферу как медицина. На сегодняшний день медицинские информационные системы (МИС) являются неотъемлемой частью крупных медицинских учреждений и укореняются в мелких подразделениях. При этом объемы обмена информацией непрерывно нарастают. Наряду с этим остро встает вопрос о защиты персональных данных граждан, обрабатываемых в информационных системах.
Автоматизация и содействие некоторых процессов медицинских учреждений - основная функция МИС [1, 2]. Основным отличием такого рода систем от других программных продуктов является, прежде всего, наличие персональной и конфиденциальной информация, которая хранится и обрабатывается в них. На юридическом уровне медицинские сведения о пациентах относятся к информации, составляющей профессиональную тайну, доступ к которой ограничен и регламентируется действующим законодательством [3]. 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. Ввиду этого обеспечение безопасности и конфиденциальности данных - одно из ключевых требований, предъявляемых к современной МИС. Обеспечение и поддержание данного условия в информационно-коммуникационных и вычислительных системах подобного рода являются перспективными задачами [4].
По оценкам специалистов на данном этапе использования МИС защита личных данных представлена двумя базовыми аспектами. Первым из них является этический (профессиональный) аспект взаимодействия врача и пациента. Он регулируется нормами врачебной этики и законом о защите личных данных пациентов. Вторым аспектом является обеспечение конфиденциальности информации в медицинской системе с технической точки зрения. Под этим подразумевается создание адекватных механизмов защиты данных непосредственно в рамках программно-аппаратного комплекса информационной системы. [5,6]
По данным исследования 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 [7].
Количество используемой медицинской техники быстрыми темпами увеличивается, следовательно, возрастает и значимость организационной и программно-технической защиты от несанкционированного доступа. К сожалению, в большинстве случаев, на этапе проектирования не учитываются вопросы информационной безопасности.
Отличительной чертой информационной безопасности передачи данных медицинских приборов являются, невысокие требования по криптоустойчивости 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. Например, модули блочного шифрования DES или AES встраиваются в простые малогабаритные и низкопотребляющие микроконтроллеры (МК). Однако, они плохо подходят для решения таких задач, так как требуют предварительного накопления значительных по объему пакетов информации.
В качестве альтернативы встраиваемым модулям AES/DES могут выступать системы передачи информации на базе хаотических автогенераторов с синхронным откликом, обеспечивающих потоковое шифрование. Известен успешный опыт построения подобных систем коммерческого назначения для передачи данных по оптоволоконным каналам связи [8]. При этом использование в качестве источников хаотического сигнала генераторов с запаздывающей обратной связью несет ряд преимуществ. Даже простые генераторы с запаздыванием, описываемые уравнениями первого порядка, могут генерировать высокоразмерные хаотические и гиперхаотические сигналы, обладающие широким спектром, надежно маскирующими информационный сигнал и скрывающими сам факт его передачи. Такие свойства хаотических систем передачи делают их перспективными объектами для использования, например, при построении цифровых сенсорных сетей [9] и создания модулей потокового шифрования данных, встраиваемых в микроконтроллеры и цифровые сигнальные процессоры.
Основной проблемой при использовании хаотических систем связи с синхронным откликом является высокая чувствительность таких систем к шумам и искажениям в канале связи и предъявление жестких требований к идентичности параметров приемника и передатчика [10].
Bulletin of Medical Internet Conferences (ISSN 2224-6150)
2015. Volume 5. Issue 11
Нами разработана [11] 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
Нами предлагается схема передачи информации, основанная на принципе нелинейного подмешивания, в которой информационный сигнал подмешивается к хаотическому сигналу, формируемому в результате цифровых вычислений на микроконтроллере. При этом в приемник, параметры которого совпадают с параметрами передатчика, поступает цифровой сигнал, и для извлечения его информационной компоненты также используются цифровые вычисления. Такая система передачи информации позволяет использовать маскировку информационного сигнала хаотическим и, в то же время, обладает достаточно хорошей помехоустойчивостью, типичной для цифровых систем передачи информации.
Для того чтобы повысить уровень защиты передаваемой информации, в ряде работ было предложено осуществлять скрытую передачу данных на основе систем с запаздыванием, демонстрирующих хаотическую динамику очень высокой размерности [1213]. Поэтому нами была выбрана схема передачи информации с нелинейным подмешиванием на базе генератора с запаздывающей обратной связью.
Блок-схема системы связи с нелинейным подмешиванием представлена на рис. 1. Передатчик представляет собой кольцевую систему из линии задержки, нелинейного элемента и линейного фильтра низких частот. Информационный сигнал с помощью сумматора добавляется к хаотическому сигналу/(х(М)) на выходе нелинейного элемента, и сигнал s(t)=f(x(t_t))+m(t) передается в канал связи и одновременно вводится в кольцо обратной связи передающей системы, колебания которой описываются дифференциальным уравнением первого порядка с запаздыванием. При таком нелинейном подмешивании информационный сигнал непосредственно участвует в формировании сложной динамики генератора хаоса.
Приемник состоит из тех же элементов, что и передатчик, за исключением сумматора, который заменен на вычитатель, разрывающий цепь обратной связи. На выходе вычитателя имеем восстановленный информационный сигнал f(y(t-t)). Если элементы принимающей и передающей систем идентичны, то после переходного процесса эти системы синхронизуются между собой. В результате синхронизации имеем х(^=у(^, а значитЛх(М:))=^у(М:)) и т'^)=т(^. При этом качество восстановления сигнала т(^ не зависит от его амплитудных и частотных характеристик, что означает возможность передачи без искажений сложных информационных сигналов.
Выбранный нами нелинейный элемент обеспечивает квадратичное преобразование. Параметры передатчика выбираются таким образом, чтобы система находилась в режиме развитых хаотических колебаний. Передающая система реализована в нашей схеме на программируемом микроконтроллере. Так как он не имеет встроенных аппаратных блоков поддержки операций с плавающей запятой, для повышения быстродействия системы все вычисления в микроконтроллере целесообразно проводить с помощью целочисленной арифметики.
Передатчик реализован в нашей схеме на основе программируемого микроконтроллера семейства А:те1 megaAVR. Аналоговый информационный сигнал т(^ подается на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а сигнал Мп с его выхода подмешивается в динамику передающей системы. Вычисления проводятся с использованием целочисленной арифметики.
Проиллюстрируем работоспособность предложенной схемы при выборе в качестве информационного сигнала речи человека в музыкальном сопровождении (песни). Фрагмент временной реализации такого звукового сигнала представлен на рис. 2, а. Для его оцифровки мы использовали 12 разрядов АЦП с частотой дискретизации 20 кГц ^=50 мкс).
На рис. 2, Ь показан фрагмент временной реализации хаотического сигнала Эп=Р(Хп_к)+Мп, генерируемого автогенератором с задержкой на микроконтроллере при 1=1.9, Dt/e=0.5 и к=100. Этот 16-битный сигнал тоже имел частоту дискретизации 20 кГц и передавался по цифровому каналу связи на скорости 115.2 кбит/с. Если пропустить этот сигнал через ЦАП и воспроизвести, то будет слышен только шум без каких-либо признаков речи и музыки.
Рисунок 1. Блок-схема системы передачи информации с нелинейным подмешиванием: I — передатчик; II — приемник; DL — линия
задержки; № — нелинейный элемент; F — фильтр
Рисунок 2. а) осциллограммы реализаций музыкального информационного сигнала m(t) на входе схемы (сверху) и восстановленного информационного сигнала m'(t) на выходе схемы (снизу); b) фрагмент временной реализации хаотического сигнала Sn; c) спектры мощности сигналов Mn — 1, Sn — 2, Mn' — 3 (спектр мощности сигнала Mn' показан серым цветом)
Приемник в схеме реализован на основе такого же программируемого микроконтроллера, что и передатчик. На выходе вычитателя приемника имеем выделенный информационный сигнал Mn'=F(Xn-k)+Mn-F(Yn-k). При отсутствии шумов и выборе параметров приемника, равных параметрам передатчика, имеем F(Yn-k)=F(Xn-k) и Мп'=Мп. Подав цифровой сигнал МП на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), получим на выходе восстановленный аналоговый информационный сигнал т'(^). Фрагмент его временной реализации тоже представлен на рис. 2, а для случая, когда параметры приемника имеют такие же значения, как и параметры передатчика. Из рис. 2, а видно, что временные реализации передаваемого и выделенного информационных сигналов очень похожи. На слух, исходный музыкальный сигнал и сигналт'^) на выходе приемника не различимы.
На рис. 2, c приведены спектры мощности хаотического сигнала Sn, информационного сигнала Мп и выделенного в приемнике информационного сигнала Мп'. Амплитуда музыкального информационного сигнала составляет около 25% от амплитуды хаотической несущей и его присутствие незаметно в спектре мощности передаваемого сигнала Sn. Из рис. 2, в видно, что спектры сигналов Мп и Мп' практически совпадают.
Таким образом, качество восстановления скрытого информационного сигнала на выходе приемника оказывается достаточно высоким, несмотря на неизбежное присутствие шумов, присущих реальной системе связи. Предложенная схема позволяет осуществлять передачу и прием речевых и музыкальных сигналов в реальном времени без заметных искажений.
В рассмотренном выше примере передатчик и приемник имели одинаковые значения параметров, что обеспечивало для авторизованного слушателя качественный прием скрытого информационного сигнала. Идентичность параметров приемника и передатчика является важной составляющей систем передачи информации, основанных на синхронизации хаотических систем. С увеличением расстройки параметров приемника и передатчика ухудшается качество хаотического синхронного отклика приемника
Bulletin of Medical Internet Conferences (ISSN 2224-6150)
2015. Volume 5. Issue 11
и, как следствие, ухудшается качество выделяемого информационного сигнала [9]. Начиная с некоторого значения расстройки, выделение полезного сообщения становится невозможным. Достоинством предложенной цифровой системы связи является использование в ней программируемых микроконтроллеров, что позволяет добиться полной идентичности параметров передатчика и приемника, практически недостижимой при построении передающей и принимающих систем на аналоговых элементах.
Для стороннего наблюдателя сигнал, передаваемый через открытый канал связи, воспринимается как шум. Для выделения скрытого сигнала сообщения из хаотической несущей неавторизованному слушателю необходимо знать конфигурацию передатчика, т.е. ему должно быть известно, что передатчик описывается модельным уравнением с запаздыванием, а также необходимо знать вид нелинейной функции f и точные значения параметров системы. Для реконструкции модельных уравнений систем с запаздыванием и восстановления их параметров по временным рядам был предложен ряд методов [14-19]. В отсутствие шума эти методы позволяют с хорошей точностью определить неизвестные параметры систем с запаздыванием. Однако при наличии шума оценка параметров оказывается менее точной, причем с ростом уровня шума погрешность оценки параметров растет.
В рассмотренной системе передачи информации используется нелинейное подмешивание информационного сигнала к хаотическому сигналу системы с задержкой. При этом присутствие информационного сигнала в хаотической несущей также как и присутствие шума неизбежно снижает точность оценки управляющих параметров системы. Мы исследовали, насколько точно необходимо знать значения параметров передающей системы для того, чтобы выделить скрытый информационный сигнал на выходе приемника.
Выберем параметры передатчика так же, как в рассмотренном выше примере, и будем передавать тот же музыкальный сигнал. Параметры приемника возьмем такими же как в передатчике за исключением дискретного времени запаздывания к, которое будем менять вблизи истинного значения к=100. Уже при минимальной расстройке к на единицу (к=99 или к=101) на выходе приемника слышен только шум, т.е. при расстройке времени запаздывания в приемнике и передатчике на 1% информационный сигнал полностью маскируется. Фрагменты временных реализаций исходного музыкального сигнала и сигнала т'(^), выделенного в приемнике при к=99, приведены на рис. 3. Амплитуда сигнала т'{?) значительно больше, чем у сигнала т($, а сам сигнал т'(^) больше похож на хаотическую несущую.
Исследуем теперь влияние расстройки параметра е на качество выделения скрытого информационного сигнала. Положим параметры приемника и передатчика одинаковыми за исключением параметра е, который будем менять вблизи истинного значения е=100 мкс. Установлено, что при расстройке е более чем на 1.5%, как в положительную, так и в отрицательную сторону, информационный сигнал на выходе приемника не прослушивается, а его временная реализация и спектр мощности существенно отличны от оригинальных. При расстройке е на 0.1-1% информационный сигнал маскируется частично. При его прослушивании на выходе приемника удается различить отдельные слова и музыкальный фон, хотя временные реализации и спектры мощности сигналов т'{?) и при этом существенно отличаются. При расстройке е в приемнике и передатчике на 0.05%, музыкальный сигнал выделяется с небольшими помехами, которые исчезают при дальнейшем уменьшении расстройки.
Таким образом, для выделения скрытого сигнала сообщения стороннему наблюдателю необходимо с высокой точностью восстановить параметры передатчика, что является весьма сложной задачей для рассмотренной системы связи.
Заключение
Разработана и создана цифровая система скрытой передачи информации с нелинейным подмешиванием информационного сигнала к хаотической несущей генератора с запаздывающей обратной связью. 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 малопотребляющих 8 битных микроконтроллерах А^е1, что позволяет встраивать ее даже в носимые медицинские устройства.
Рисунок 3. Осциллограммы реализаций исходного информационного сигнала т^) (сверху) и информационного сигнала т'(^) (снизу),
выделенного в приемнике при расстройке параметра k ^=99)
Такая система связи позволяет без заметных искажений передавать и принимать в реальном времени речевые и музыкальные сигналы. Высокое качество приема скрытого информационного сигнала достигается за счет использования в передатчике и приемнике цифровых элементов, обеспечивающих идентичность параметров, и хорошую помехоустойчивость, типичную для цифровых систем передачи информации.
Исследована возможность выделения полезной информации из хаотической несущей при расстройке параметров приемника и передатчика предложенной схемы. Установлено, что для выделения скрытого информационного сигнала расстройка параметров не должна превышать 1%, что обуславливает конфиденциальность предложенной системы связи.
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов Президента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ РФ № НШ-1726.2014.2 и РФФИ № 13-02-00227.
Литература
1. Назаренко Г.И., Гулиев Я.И., Ермаков Д.Е. Медицинские информационные системы: теория и практика. Физматлит, 2005. 320 с.
2. Гулиев А.В., Романов Ф.А., Дуданов И.П., Воронин А.В. // Медицинские информационные системы. Петрозаводск: ПетрГУ, 2005. 404 с.
3. Домарев В.В. // Защита информации в медицинских информационных системах: врачебная тайна и современные информационные технологии, клиническая информатика и телемедицина. 2004. Т. 1. № 2. С. 147-154.
4. Гулиев Я.И., Фохт И.А., Фохт О.А., Белякин А.Ю. Медицинские информационные системы и информационная безопасность. Проблемы и решения // Программные системы: Теория и приложения: тр. Междунар. конф. Переславль-Залесский, 2009. С. 175-206.
5. Карабаев М.К., А.А. Абдуманонов. Алгоритмы и технологии обеспечения безопасности информации в медицинской информационной системе externet // Программные продукты и системы № 1, 2013 , С.150-155.
6. Юргель Н.В. Никонов Е.Л. Гармаш И.В. Мерзлов Л.Ю. Поздняков И.Г. Защита информации в регистре медицинских и фармацевтических работников // Вестник Росздравнадзора, Выпуск № 1 2008, С75-76.
7. http://www.cnews.ru/reviews/free/national2006/articles/datasecure/.
8. Nguimdo R.M., Colet P., Larger L., Pesquera L. // Phys. Rev. Lett. 2011. V. 107. N. 3.034103
9. Дмитриев А.С., Панас А.И. Динамический хаос: новые носители информации для систем связи. Москва. Физматлит. 2002. 252 с.
10. Короновский А.А., Москаленко О.И., Храмов А.Е. // УФН 2009. Т. 179. В. 12. С. 1281-1310
11. Ponomarenko V.I., Prokhorov M.D., Karavaev A.S., Kulminskiy D.D. An experimental digital communication scheme based on chaotic time-delay system // Nonlinear Dynamics, 2013. V. 74. N. 4. P. 1013-1020.
12. Pyragas K. Transmission of signals via synchronization of chaotic time-delay systems // Int. J. of Bifurcation and Chaos. 1998. Vol. 8. P. 1839-1842.
13. Ponomarenko V. I., Prokhorov M. D. Extracting information masked by the chaotic signal of a time-delay system // Phys. Rev. E. 2002. Vol. 66. 026215.
14. Voss H., Kurths J. Reconstruction of non-linear time delay models from data by the use of optimal transformations // Phys. Lett. A. 1997. Vol. 234. P. 336-344.
15. Bünner M. J., Ciofini M., Giaquinta A., Hegger R., Kantz H., Meucci R., Politi A. Reconstruction of systems with delayed feedback: (I) Theory // Eur. Phys. J. D. 2000. Vol. 10. P. 165-176.
16. Пономаренко В. И., Прохоров М. Д., Караваев А. С., Безручко Б. П. Определение параметров систем с запаздывающей обратной связью по хаотическим временным реализациям // ЖЭТФ. 2005. Т. 127. С. 515-527.
17. Zunino L., Soriano M. C., Fischer I., Rosso O. A., Mirasso C. R. Permutation-information-theory approach to unveil delay dynamics from time-series analysis // Phys. Rev. E. 2010. Vol. 82. 046212.
18. Ma H., Xu B., Lin W., Feng J. Adaptive identification of time delays in nonlinear dynamical models // Phys. Rev. E. 2010. Vol. 82. 066210.
19. Dai C., Chen W., Li L., Zhu Y., Yang Y. Seeker optimization algorithm for parameter estimation of time-delay chaotic systems // Phys. Rev. E. 2011. Vol. 83, 036203.
