Метод ротації криптографічних ключів на основі часових токенів для радіоелектронних медичних модулів з обмеженими ресурсами
DOI:
https://doi.org/10.64915/RADAP.2025.102.%25pКлючові слова:
криптографічний ключ, часові токени, HMAC, вікно толерантності, FreeRTOS, STM32L4, ESP32, медичні сенсориАнотація
У статті представлено новий підхід до періодичної ротації симетричних криптографічних ключів для вбудованих медичних радіоелектронних модулів з обмеженими ресурсами. Метод базується на використанні локально генерованих часових токенів, що формуються на основі апаратного годинника реального часу або альтернативних механізмів синхронізації через Bluetooth Low Energy чи внутрішній таймер мікроконтролера. Кожний пристрій самостійно обчислює новий ключ із використанням криптографічної хеш-функції та початкового вектора, що дозволяє уникнути передачі службових повідомлень по мережі.
Для підвищення стійкості до невеликих зсувів часу введено адаптивне вікно толерантності. Структура часових токенів представлена у двох форматах, що дозволяє оптимально балансувати між точністю часової мітки, обсягом необхідної пам'яті та можливостями додавання службових даних.
Метод реалізовано програмно-апаратно на платформах STM32 та ESP32 під керуванням FreeRTOS через модуль «key_rotator». Для шифрування використано полегшені алгоритми Speck та Ascon.
Експериментальні дослідження показали зниження енергоспоживання на 50% порівняно з традиційними схемами, затримку генерації менше 1 мс та відновлення синхронізації у понад 98% випадків після відключень живлення. Запропонований підхід поєднує високий рівень безпеки, енергоефективність і стабільність роботи для медичних модулів з обмеженими ресурсами.
Посилання
References
1. Rozlomii I., Yarmilko A. and Naumenko S. (2024). Resource-efficient solutions for data security at the network level of the Medical Internet of Things. Conference Proceedings, Vol. 3892, pp. 171-182.
2. Gaurav A., Psannis K. and Perakovic D. (2022). Security of Cloud-Based Medical Internet of Things (MIoTs): A Survey. International Journal of Software Science and Computational Intelligence, Vol. 14, pp. 1-16. DOI: 10.4018/IJSSCI.285593.
3. Rozlomii I., Yarmilko A. and Naumenko S. (2024). Security and Efficiency Models for Cyber-Physical Systems in Medical Devices. 2024 IEEE 19th International Conference on Computer Science and Information Technologies (CSIT), pp. 1-4. DOI: 10.1109/CSIT65290.2024.10982678.
4. Akhtar N., Rahman S., Sadia H. and Perwej Dr. (2021). A Holistic Analysis of Medical Internet of Things (MIoT). Journal of Information and Computational Science, Vol. 11, pp. 209-222.
5. Rozlomii I., Naumenko S., Mykhailovskyi P. and Monarkh V. (2024). Resource-Saving Cryptography for Microcontrollers in Biomedical Devices. 2024 IEEE 5th KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek), pp. 1-5. DOI: 10.1109/KhPIWeek61434.2024.10877958.
6. Wamusi R., Asiku D., Adebo T., Aziku S., Simon Peter K., Zaward M. and Guma A. (2024). A Comprehensive Review on Cryptographic Techniques for Securing Internet of Medical Things: A State-of-the-Art, Applications, Security Attacks, Mitigation Measures, and Future Research Direction. Mesopotamian Journal of Artificial Intelligence in Healthcare, Vol. 2024, pp. 135-169. DOI: 10.58496/MJAIH/2024/016.
7. Wu T.-Y., Wang T., Lee Y.-Q., Zheng W., Kumari S. and Kumar S. (2021). Improved Authenticated Key Agreement Scheme for Fog-Driven IoT Healthcare System. Security and Communication Networks, Vol. 2021, pp. 6658041. DOI: 10.1155/2021/6658041.
8. Xie Q., Zhao Z., Jiang L., Jiang S., Khan S., Wang W. and Wu K. (2024). Poster Abstract: Threshold Cryptography-based Authentication Protocol for Remote Healthcare. 2024 23rd ACM/IEEE International Conference on Information Processing in Sensor Networks (IPSN), pp. 303-304. DOI: 10.1109/IPSN61024.2024.00052.
9. Benoist E., Bignens S. and Kreutz A. (2020). Patient Empowerment in IoT for eHealth: How to Deal With Lost Keys. Book Chapter, pp. 140-153. DOI: 10.4018/978-1-7998-2444-2.ch007.
10. Kim T., Kim W., Seo D. and Lee I. (2021). Secure Encapsulation Schemes Using Key Recovery System in IoMT Environments. Sensors, Vol. 21, No. 10, pp. 3474. DOI: 10.3390/s21103474.
11. Zunaidi M. R., Sayakkara A. and Scanlon M. (2024). A Digital Forensic Methodology for Encryption Key Recovery from Black-Box IoT Devices. 2024 12th International Symposium on Digital Forensics and Security (ISDFS), pp. 1-7. DOI: 10.1109/ISDFS60797.2024.10527284.
12. Chaudhari D., Bhende M., Quraishi A., AlGhamdi A., Keshta I., Soni M., Singh B., Byeon H. and Shabaz Dr. M. (2025). A Hybrid PKI and Spiking Neural Network Approach for Enhancing Security and Energy Efficiency in IoMT-Based Healthcare 5.0. SLAS Technology, Vol. 32, 100284. DOI: 10.1016/j.slast.2025.100284.
13. Höglund J., Lindemer S., Furuhed M. and Raza S. (2020). PKI4IoT: Towards public key infrastructure for the Internet of Things. Computers & Security, Vol. 89, 101658. DOI: 10.1016/j.cose.2019.101658.
14. Nelson M. (2024). Improving Security and Compliance for Medical Devices With Public Key Infrastructure. Journal of Clinical Engineering, Vol. 49, No. 4.
15. Xu Z., Liang W., Li K.-C., Xu J., Zomaya A. Y. and Zhang J. (2022). A Time-Sensitive Token-Based Anonymous Authentication and Dynamic Group Key Agreement Scheme for Industry 5.0. IEEE Transactions on Industrial Informatics, Vol. 18, No. 10, pp. 7118-7127. DOI: 10.1109/TII.2021.3129631.
16. Abduljabbar Z. A., Omollo Nyangaresi V., Al Sibahee M. A., Ghrabat M. J. J., Ma J., Qays Abduljaleel I. and Aldarwish A. J. Y. (2022). Session-Dependent Token-Based Payload Enciphering Scheme for Integrity Enhancements in Wireless Networks. Journal of Sensor and Actuator Networks, Vol. 11, No. 3, pp. 55. DOI: 10.3390/jsan11030055.
17. Muhajjar R. A., Flayh N. A. and Al-Zubaidie M. (2023). A Perfect Security Key Management Method for Hierarchical Wireless Sensor Networks in Medical Environments. Electronics, Vol. 12, No. 4, pp. 1011. DOI: 10.3390/electronics12041011.
18. Gupta M. and Kumar B. S. (2023). Lightweight Secure Session Key Protection, Mutual Authentication, and Access Control (LSSMAC) for WBAN-Assisted IoT Network. IEEE Sensors Journal, Vol. 23, No. 17, pp. 20283-20293. DOI: 10.1109/JSEN.2023.3295381.
19. Wu Q., Han Z., Mohiuddin G. and Ren Y. (2023). Distributed Timestamp Mechanism Based on Verifiable Delay Functions. Computer Systems Science and Engineering, Vol. 44, pp. 1633-1646. DOI: 10.32604/csse.2023.030646.
20. Kumar S. and Tiwari R. (2020). Optimized content centric networking for future internet: Dynamic popularity window based caching scheme. Computer Networks, Vol. 179, pp. 107434. DOI: 10.1016/j.comnet.2020.107434.
21. Jadhav S. and Chaudhari B. S. (2024). Chapter 2 -- Embedded systems for low-power applications. TinyML for Edge Intelligence in IoT and LPWAN Networks, pp. 13-26. DOI: 10.1016/B978-0-44-322202-3.00007-5.
22. Vakaliuk T. A., Andreiev O. V., Nikitchuk T. M., Osadchyi V. V. and Dubyna O. F. (2023). Using the ESP32 Microcontroller for Physical Simulation of the Operation of a Broadband Radio Communication Modem. Radio Electronics, Computer Science, Control, No. 3, pp. 206. DOI: 10.15588/1607-3274-2023-3-20.
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 І. Розломій , С. Науменко, Р. Трембовецький
Ця робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International License.
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у нашому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована нашим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у нашому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення рукопису роботи авторами в мережі Інтернет (наприклад, на arXiv.org або на особистих веб-сайтах). Причому рукописи статей можуть бути розміщенні у відкритих архівах як до подання рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання. Це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії, позитивно позначається на оперативності ознайомлення наукової спільноти з результатами Ваших досліджень і як наслідок на динаміці цитування вже опублікованої у журналі роботи. Детальніше про це: The Effect of Open Access.
