2007/23 – 15.6.2007
Použití kryptografických metod v medicínských aplikacích Ing. Vladimír Schindler Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav telekomunikací, Purkyňova 118, 612 00 Brno, Česká republika e-mail:
[email protected] Tento článek je zaměřen na použití kryptografických metod v medicínských aplikacích, a to zejména při přenosech dat a jejich archivaci. Zabezpečená komunikace mezi zdroji medicínských dat a jejich úložištěm je jednou z hlavních priorit při návrhu architektury, její realizaci a následném provozu systému MeDiMed, který je projektem Ústavu výpočetní techniky Masarykovy univerzity.
1 Úvod Informační systém MeDiMed představuje řadu koordinovaných aktivit a projektů směřujících k vybudování specializované digitální knihovny. Jeho podstatou je získávání medicínských obrazových informací z nemocničních modalit (diagnostických zařízení) a jejich zpřístupnění prostřednictvím počítačové sítě. Mezi nejpoužívanější modality patří magnetická rezonance, digitální mamograf, ultrazvuk, magnetická rezonance, počítačový tomograf a další. Cílem je využít možnost současných ICT technologií a lékařské informatiky jak pro zvýšení kvality medicínské a obecné lékařské péče, tak i zlepšení podmínek pro medicínský výzkum a výuku studentů [2]. V současné době je do projektu MeDiMed zapojeno dvanáct zdravotnických zařízení, která jsou umístěna na území České republiky, převážně však v Jihomoravském kraji. Dlouhodobý archiv v současnosti obsahuje již více než 150 000 obrazových studií (vyšetření) - každá z nich je tvořena až desítkami snímků.
2 Informační systém MeDiMed 2.1 Architektura sítě Srdcem informačního systému MeDiMed je střežený počítačový sál na Ústavu výpočetní techniky Masarykovy univerzity (ÚVT MU). Zde se nachází většina technologie potřebná pro provoz celé infrastruktury. Na diskových polích tu jsou bezpečně uloženy medicínské informace jednak jako záloha pro zdravotnická zařízení tak i jako jediné úložiště dat pro některá pracoviště. O zabezpečené spojení mezi lékařskými pracovišti a centrálním úložištěm se starají Cisco firewally řady PIX (FW). Ty jsou umístěny mezi přepínače (SWITCH), jenž směrují jednotlivé požadavky ze vzdálených počítačů na daná disková pole. Monitorovací a managementové systémy kontrolují stav jak aktivních prvků tak celé sítě a přidělují práva uživatelům. Jestliže se na síti objeví nějaká anomálie, rozesílají správcům sítě e-maily nebo SMS zprávy. Pokud by došlo k živelní události, poruše nebo výpadku systému v této lokalitě, je celý systém zálohován ve střežené místnosti Centrální počítačové studovny Masarykovy univerzity (CPS MU). Spojení mezi centrálním úložištěm a lékařskými pracovišti probíhá většinou po vyhrazených optických vláknech nebo bezdrátových spojích. Pokud není možná ani jedna z předešlých variant přenosu dat, probíhá zabezpečený provoz
23-1
2007/23 – 15.6.2007 v nezabezpečeném internetu pomocí VPN routerů (VPN) využívajících technologii IPSec. Zjednodušené schéma sítě MeDiMed je uvedeno na obr. 1.
CPS MU
ÚVT MU SERVERY ÚVT MU DISKOVÁ POLE
ZÁLOŽNÍ SERVERY ÚVT MU DISKOVÁ POLE
MANAGEMENT MONITORING
SWITCH
SWITCH
FW
FW SWITCH VPN
VPN
Nemocnice Znojmo
VPN
Nemocnice TGM Hodonín
VPN
Nemocnice s poliklinikou Uherské Hradiště
FW
FN u sv. Anny v Brně
FW
FN Brno - Bohunice
FW
Masarykův onkologický ústav
FW
Úrazová nemocnice v Brně
Obr. 1: Zjednodušené schéma sítě MeDiMed CPS MU ÚVT MU FW VPN SWITCH
- Centrální počítačová studovna, Masarykova univerzita - Ústav výpočetní techniky, Masarykova univerzita - Cisco PIX Firewall 525, resp. 515E - VPN Router - Switche Cisco Catalyst
23-2
2007/23 – 15.6.2007
3 Současný stav technického řešení zabezpečení přenosu dat v systému MeDiMed Pro zabezpečení datového přenosu mezi datovým centrem a zdravotnickým zařízením je na obou stranách nainstalováno šifrovací zařízení Cisco PIX Firewall, které je dostatečně výkonné pro přenos velkých objemů dat. Aby si čtenář udělal představu o portfoliu technologie Cisto PIX Firewall, věnuje se tomuto tématu kapitola 3.1. Veškerá data jsou před vstupem na nezabezpečené médium zašifrována a po příjmu na druhé straně spoje opět rozšifrována. Pokud komunikace neprobíhá přes vyhrazené médium (např. optické vlákno, bezdrátový spoj), jsou mezi oba firewally vloženy ještě VPN routery, které zabezpečují dostatečnou šířku pásma pro výměnu informací. K šifrování je použito standardního algoritmu 3DES s délkou klíče 168 bitů. V současné době je tímto způsobem již rutinně provozován spoj například do nemocnice v Kyjově s přenosovou rychlostí 100 Mb/s. Pro šifrování přenosu je vyžíváno zařízení Cisco PIX Firewall 525(obr. 3) na ÚVT MU a Cisco PIX Firewall 515E (obr. 2) ve vzdálené nemocnici. Jedná se o poměrně robustní firewally, které podporují všechny běžné protokoly pro šifrování přenosu. Z těchto protokolů byl jako nejvhodnější vybrán protokol IPSec. Pro vlastní šifrování přenášených dat se v současnosti používá algoritmus 3DES, v budoucnu se plánuje přechod na AES. Integrita přenášených dat je dále zabezpečena pomocí SHA-1 haše. Pro výměnu klíčů pro 3DES se používá algoritmus Diffie-Hellman s modulem 1024 bitů [3]. Systém MeDiMed také umožňuje vzdálený přístup do datového centra pro vybrané lékaře i z lokalit mimo nemocniční síť. Zabezpečení komunikace je opět vyřešeno protokolem IPSec mezi zařízením Cisco PIX Firewall v datovém centru a klientským programem Cisco Secure Access instalovaným přímo v pracovní stanici specialisty s medicínským softwarem. Pracovní stanice je zabezpečena pomocí USB klíče eToken PRO (obr. 4). Ten umožňuje bezpečně autentizovat a autorizovat uživatele [4].
Obr. 2: Cisco PIX 515E
Obr. 3: Cisco PIX 525
Obr. 4: eToken PRO 32k
23-3
2007/23 – 15.6.2007
3.1 Technologie Cisco PIX Firewall Jak již bylo uvedeno výše, zabezpečenou komunikaci mezi centrálním úložištěm a zdravotnickými zařízeními řídí technologie Cisco PIX Firewall, která je specializovaným hardwarovým a softwarovým firewallem zajišťujícím vysokou úroveň bezpečnosti s menšími dopady na výkonnost sítě než jaké vykazují jiné firewally. Využívá technologie paketového filtru, proxy filtru i stavového paketového filtru. Kompletní přehled produktů řady Cisco PIX Firewall včetně jejich parametrů je uveden v tab. I. Mezi hlavní výhody a funkce firewallů řady PIX patří:
Bezpečný, zapouzdřený systém pracující v reálném čase, který na rozdíl od typických proxy filtrů, jenž s každým datovým paketem provádějí obsáhlé zpracování, obsahuje dobře chráněné proprietární operační prostředí. Tím pádem v něm nejsou žádná zranitelná místa známá z jiných operačních systémů.
Adaptivní bezpečnostní algoritmus ASA, který provádí stavové filtrování paketů, jenž představuje bezpečnou metodu analýzy datových paket, při níž se velké množství informací o paketech zapisuje do zvláštní tabulky. Za „zavedený“ paket se dá považovat jen takový paket, jehož informace se shodují s informacemi zapsanými v tabulce.
Průřezová proxy autentizace, která je uživatelsky orientovanou metodou autentizací příchozích i ochozích spojení, jenž má oproti proxy filtru nižší režii při zpracování a tím pádem běží rychleji.
Stavové převzetí služeb/horká záloha, díky níž je možné konfigurovat dvě jednotky Cisco PIX Firewall a vytvořit tak plně redundantní topologii [1].
Model Použití
501 Malé firmy a domácnosti
CPU RAM FLASH Integrované porty 10/100 Sloty PCI Ethernet porty Failover Propustnost (clear text) Propustnost 3DES
515E Sítě malých až středních podniků
525 Střední a velké podniky
AMD SC520 133 MHz 16 MB 8 MB 1
506E Vzdálená pracoviště a firemní pobočky Celeron 300 MHz 32 MB 8 MB 2
Celeron 433 MHz až 64 MB 16 MB 2
Intel PIII 600 MHz až 256 MB 16 MB 2
535 Velké podniky a poskytovatelé služeb (ISP) Intel PIII 1 GHz až 1GB 16 MB 0
0 1 Ne 60 Mb/s
0 2 ne 100 Mb/s
2 6 ano 188 Mb/s
3 8 ano 330 Mb/s
9 10 ano 1,7 Gb/s
3 Mb/s
17 Mb/s
až 140 Mb/s
až 155 Mb/s
až 440 Mb/s
Tab. I: Parametry jednotlivých modelů firewallů řady PIX
23-4
2007/23 – 15.6.2007
3.2 USB klíč eToken PRO Požadavky uživatelů na vzdálený přístup k medicínským datům přes nezabezpečený internet vedly k potřebě technického vybavení umožňujícího bezpečnou autentifikaci a autorizaci. Nejlevnější a nejdostupnější možností bylo pořízení USB klíče eToken PRO společnosti Aladdin. Uživateli, který chce pracovat s medicínskými daty, stačí, když zasune USB klíč do USB portu svého počítače a spustí aplikaci Cisco Secure Access. Program na základě privátního klíče uloženého v USB tokenu sestaví IPSec spojení mezi klientem a datovým centrem a lékaři je tak umožněn přístup k uloženým datům. Mezi hlavní funkce USB klíče eToken PRO patří:
Certifikáty a standardy PKCS#11 v2.01, CAPI (Microsoft Crypto API), PC/SC, SSL v3, X.509 v3, Siemens/Infineon APDU commands, IPSec/IKE. Podpora systémů Windows 95/98/98SE/Me/2000/XP, Windows NT4.0 SP4 a novější. Šifrovací algoritmy RSA 1024-bitů, DES, 3DES (Triple DES), SHA1, MD5. Vnitřní paměť pro klíče o velikosti 16kB, 32kB nebo 64kB. Uchování dat v paměti až 10 let. Až pětisettisícnásobný přepis paměti [5].
4 Závěr Projekt MeDiMed představuje stále se rozvíjející systém, který umožňuje dlouhodobou archivaci a komunikaci v oblasti zpracování medicínských obrazových dat a zároveň podporuje vzdělávání budoucích lékařů. Od svého zrodu prošel několika modernizacemi a to jak v oblasti zvyšování kapacity diskového prostoru, která se v dnešní době počítá v desítkách terabytů, tak v oblasti zabezpečení ukládaných dat a jejich bezpečnému přenosu mezi centrálním úložištěm a zdravotnickými zařízeními. V dnešní době, kdy se výpočetní výkon neustále zvyšuje, je třeba současně stupňovat míru zabezpečení těchto citlivých dat proti jejich zcizení.
5 Literatura [1] CHAPMAN, David W.; FOX, Andy. Zabezpečení sítí pomocí Cisco PIX Firewall. Computer Press 2004, 343 stran, ISBN 80-7226-963-1 [2] BARTOŠEK, Miroslav. Dílčí zpráva o řešení výzkumného záměru za rok 2002 [online]. 2002, poslední revize 7. 1. 2003 [cit. 2007-05-26]. Dostupné z:
. [3] BARTOŠEK, Miroslav. Dílčí zpráva o řešení výzkumného záměru za rok 2003 [online]. 2002, poslední revize 7. 1. 2003 [cit. 2007-05-26]. Dostupné z: . [4] BARTOŠEK, Miroslav. Dílčí zpráva o řešení výzkumného záměru za rok 2004 [online]. 2005, poslední revize 8. 2. 2005 [cit. 2007-05-26]. Dostupné z: . [5] - eToken PRO - Portable USB Token With Advanced Smart Card Technology [online]. 2007, [cit. 2007-05-27]. Dostupné z: . 23-5
