基于密码学算法的医院网络数据安全传输与存储研究.pdf

60 Vol.40,No.2February,2024第 40 卷第 2 期2024 年 2 月IT REPORT0 引言如何选择合适的密码学算法，如何针对医疗环境的特性对算法进行优化，如何在保证数据安全的同时，尽可能减少加密和解密的时间，这些都是目前研究的重点。1 提升医院网络数据安全传输与存储工作水平的重要性分析（1）保护病人隐私。医院存储和传输的数据中包含大量的个人身份信息、医疗记录和敏感数据1。一旦病人隐私泄露，可能造成下列恶劣后果：病人的姓名、住址、电话号码、身份证号等均属于“敏感信息”，泄露后可能会被用于不法行为，如骚扰、诈骗、身份盗用等。一些敏感疾病病人的医疗信息泄露，例如 HIV 状况、精神疾病历史等，可能会导致社会歧视，影响病人的社会生基于密码学算法的医院网络数据安全传输与存储研究魏培威（郓城县第四人民医院，山东郓城274700）摘要：本文深度讨论了基于密码学算法的医院网络数据安全传输与存储问题。在第一部分，本文分析了提升医院网络数据安全传输与存储工作水平的重要性，强调了在当前信息技术普及的背景下，医学数据安全的关键性。在第二部分，本文简要介绍了密码学算法的基本原理，并分别探讨了基于密码学算法的医院网络数据安全传输和存储机制的构建要素，希望为医院网络数据的安全传输与存储提供了新的视角和实践方法。关键词：密码学算法；医院网络数据；安全传输；安全存储中图分类号：TP309文献标志码：A文章编号：1672-4739（2024）02-0060-03Research on Secure Transmission and Storage of Hospital Network Data Based on Cryptographic AlgorithmsWEI Peiwei（The Fourth Peoples Hospital of Yuncheng County,Yuncheng 274700,China）Abstract：This article deeply discusses the secure transmission and storage of hospital network data based on cryptographic algorithms.In the first part,this article analyzes the importance of improving the level of secure transmission and storage of hospital network data,emphasizing the key importance of medical data security in the current context of information technology popularization.In the second part,this article briefly introduces the basic principles of cryptographic algorithms and explores the construction elements of secure transmission and storage mechanisms for hospital network data based on cryptographic algorithms,hoping to provide a new perspective and practical methods for the secure transmission and storage of hospital network data.Keywords：cryptographic algorithms；hospital network data；secure transmission；secure storage活和职业发展。（2）防止数据丢失和损坏。医院的数据是重要的资源，如果网络数据安全措施不到位，可能导致数据丢失或损坏，对医院正常运营和病人的医疗服务造成不可逆的影响。（3）防止数据篡改。网络数据安全的重要目标之一是保护数据的完整性。如果医院的数据被篡改，可能会导致诊断错误、治疗错误或者误导性的医疗研究结果。因此，保障数据传输和存储的安全性可以防止数据被篡改，保证医疗决策的准确性。（4）防止网络攻击和勒索软件。医院的网络系统是黑客和恶意软件的目标之一。网络攻击可能导致医院的数据被窃取、服务中断或者勒索软件的攻击。通过提升网络数据安全水平，可以减少这些风险，确保医院的系统和数据受到有效保护。2 基于密码学算法的医院网络数据安全传输与存储机制构建分析2.1 密码学算法原理简析密码学是一门保护信息安全的科学，主要研究如何收稿日期：2024-01-03作者简介：魏培威（1986.10-），男，汉族，山东郓城人，本科，初级（助理工程师），研究方向：信息工程。61 Vol.40,No.2February,2024第 40 卷第 2 期2024 年 2 月IT REPORT通过算法（也称为密码）来实现信息的加密和解密。密码学算法主要有两种类型：对称加密算法和非对称加密算法2。对称加密算法是指加密和解密使用相同的密钥，如 DES、AES 等；非对称加密算法则是指加密和解密使用的是一对密钥，公钥用于加密，私钥用于解密，如 RSA、ECC 等。医院网络数据的安全传输与存储主要利用上述两种类型的密码学算法。基本原理如下：（1）对于数据传输，主要利用非对称加密算法，可以有效防止中间人攻击。例如，医生 A 要将病人的诊断结果发送给医生 B，A 可以使用 B 的公钥进行加密，然后发送。由于只有 B 的私钥能解密，因此即使数据在传输过程中被截获，也无法被解读。（2）对于数据存储，主要利用对称加密算法。对称加密算法在相同的硬件上比非对称加密快 1000 倍以上，因此更适合大量数据的加密。例如，病人的医疗记录在存储到数据库前，可以使用一个密钥进行 AES 加密，只有拥有这个密钥，才能解密出病人的原始记录。具体的数据在实际操作中可能会有所不同，因为这取决于具体的加密算法、密钥长度、硬件性能等因素。同时，为了防止被撞库（即使用已知的用户名和密码组合进行攻击），还需要对密码进行深度加密等操作3。总体来说，基于密码学的医院网络数据安全传输与存储是一个复杂的过程，需要综合考虑多种因素，但是通过正确实施，可以有效保护病人的隐私和医疗信息。2.2 基于密码学算法的医院网络数据安全传输机制构建要素2.2.1 基于 128 位 AES 加密算法的医院网络数据安全传输机制构建根据上文所述可知，构建医院网络数据安全传输机制时，主要应用密码学中的非对称加密算法。但“是否对称”并不绝对。本文设计一种基于 128 位的 AES 加密算法，用于构建医院网络数据安全传输机制，具体流程如下：（1）设计的数据传输应用场景是：同一所医院内，一位医生将某患者的医疗记录传输到另一位医生处，类似于发射无线电波，除了接收目标（目标医生）之外，其他人也可能获得有关该患者医疗记录的信息，但这一信息已经得到了加密处理，除了目标医生持有的解密密钥之外，其他信息获取者几乎难以破解，自然无法获得患者信息。（2）医院网络数据安全传输机制的具体构建流程如下：其一，密钥生成。在 AES 加密中，需要一个 128 位的密钥。这个密钥可以由伪随机数生成器产生，确保其随机性和不可预测性。这个密钥需要在医生 A 和医生 B 之间共享，而不能让任何第三方知晓。其二，数据准备。医生 A 需要发送的病人数据，如姓名、病史、诊断结果等，此即为需要加密的明文数据。其三，数据加密。医生 A使用生成的128位密钥以及明文数据，运行AES加密算法。加密的结果是一串密文，这个过程可以由专门的加密库（如Python 的 PyCrypto 库）来完成。这一环节的具体处理程序代码如下（基于 python 语言）：头文件信息：from Crypto.Cipher import AES import binascii；密钥和明文数据：key=binascii.unhexlify(000102030405060708090a0b0c0d0e0f)plaintext=patient data；创建 cipher 对象：cipher=AES.new(key,AES.MODE_ECB)；对明文数据进行填充以满足 AES 的输入要求：while len(plaintext)%16!=0:plaintext+=；加密处理：ciphertext=cipher.encrypt(plaintext)；加密后信息输出：print(binascii.hexlify(ciphertext)。按照上述程序对明文数据（病人的临床诊断信息等）进行处理后，最终输出的内容会以乱码形式出现，如“8e0b64f781dbbf6623eea6f44271a3b6”之类，由字母和数字杂乱排布的字符串，掩盖了真正的信息。其四，数据传输。医生A将上述密文通过安全通道（如SSL/TLS）发送给医生 B。其五，数据解密。医生 B 收到密文后，使用与医生 A 相同的 128 位密钥进行解密。解密过程同样可以由解密库完成，具体的程序如下（同样基于 python 语言）：密钥和密文输入：key=binascii.unhexlify(000102030405060708090a0b0c0d0e0f)ciphertext=binascii.unhexlify(8e0b64f781dbbf6623eea6f44271a3b6)；创建 cipher 对象：cipher=AES.new(key,AES.MODE_ECB)；解密：plaintext=cipher.decrypt(ciphertext)；输出：print(plaintext)；医生 B 收到密文之后，运行上述程序，之后可以将密文乱码“破译”为原始的病人信息，至此便完成了医院网络数据的安全传输。这一传输过程的关键在于，只有知道密钥的人（这里是医生 A 和医生 B）才能解密出原始的病人数据，任何第三方都无法从密文中获取这些数据，此即为基于 128 位 AES 加密算法构建医院网络数据安全传输机制的基本原理和流程。但仍然需要注意，上述代码仅为示例，实际应用中会有更多的安全考虑，如密钥的安全存储和管理、数据的完整性校验等。一旦需要考虑这些内容，上述常规的 128 位 AES 加密算法便会显现出诸多局限性。在这种情况下，需要使用更加安全的加密模式，比如 CBC、CFB、OFB、CTR 等。2.2.2 其他加密模式的特点及应用（1）CBC 加密模式。具体的原理是，CBC 模式将每个明文块与前一个密文块进行异或操作后再进行加密。每个密文块都依赖于它前面的所有明文块。同时，为了使每个消息均具有“唯一”性，初始块会使用一个初始化向量(IV)。这种模式的特点是，由于每个块的加密都依赖于前面所有块的结果，因此无法并行处理。但是，CBC 模式提供了具有较大强度的数据混淆，使得攻击者无法仅通过 62 Vol.40,No.2February,2024第 40 卷第 2 期2024 年 2 月IT REPORT观察密文就获取明文信息。（2）CFB 加密模式。具体的原理是，CFB 模式将前一个密文块进行加密，然后与当前的明文块进行异或操作得到当前的密文块。这种模式的特点是：将块加密算法像流加密算法那样使用。在某些场合可以取代流加密算法。同样，由于依赖前面的结果，也无法并行处理。（3）OFB 模式。具体的原理是，OFB 模式将前一个块的加密结果（而非密文）与当前的明文块进行异或操作得到当前的密文块。这种模式的特点是，与 CFB 类似，OFB 模式将块加密算法像流加密算法那样使用。其特点是即使在传输过程中发生了错误，也不会传播到后续的块。（4）CTR 模式。具体原理是，CTR 模式使用一系列计数器作为每个块的输入。每个计数器加密后的结果与明文块进行异或操作得到密文块。这种模式的特点是，可以并行处理，因为每个块的加密不依赖其他块。不过，CTR模式需要保证每个计数器值在同一个密钥下不会重复，否则会导致安全性下降。需要注意，以上四种加密模式，每种都有其用途和优点。在选择哪种模式时，需要考虑数据的性质、需要的安全级别、是否需要并行处理等因素。2.3 基于密码学算法的医院网络数据存储机制构建要素假设医院系统需要安全地存储病人的医疗记录。这些记录包含敏感信息，如病人的姓名、联系方式、医疗状况等。在该场景下，基于密码学的医院网络数据安全存储机制构建流程如下：（1）数据预处理。初始阶段，将病人的医疗记录转化为可以被加密算法处理的格式，例如字符串或字节流。这个过程可能涉及数据序列化和编码。例如，可以使用Python 的 json 库将数据转化为 JSON 字符串，然后使用utf-8 编码转化为字节流。该阶段具体的程序代码如下：头文件：import json；病人医疗记录录入：record=name:John Doe,contact:1234567890,condition:Healthy；序列化并编码：record_bytes=json.dumps(record).encode(utf-8)。（2）存储数据加密处理。完成数据预处理之后，便需要使用密码学算法对数据进行加密。例如，可以使用AES 高级加密标准进行加密，确保加密和解密使用相同的密钥。此外，这个密钥需要被安全地存储，只有被授权的人员才能访问。具体的程序如下：头文件：from Crypto.Cipher import AES；import binascii；随机数生成器安全生成密钥，为便于分析，本处以固定密钥为例：key=binascii.unhexlify(000102030405060708090a0b0c0d0e0f)；创建 cipher 对象：cipher=AES.new(key,AES.MODE_ECB)；对数据进行填充处理，以满足 AES 的输入要求：while len(record_bytes)%16!=0:record_bytes+=b 加密处理：ciphertext=cipher.encrypt(record_bytes)；输出：print(binascii.hexlify(ciphertext)。按照上述程序进行处理，最终输出的内容是诸如 “8e0b64f781dbbf6623eea6f44271a3b6”此类的乱码字符串。（3）数据存储。转换完成后，将加密后的数据存储到数据库或文件系统中。在存储过程中，应确保存储系统的安全性，例如使用访问控制和防火墙保护数据。（4）数据访问和解密。当需要访问病人的医疗记录时，可以从存储系统中取出加密的数据，然后使用相同的密钥解密。具体的程序如下：创建新的 cipher 对象：cipher=AES.new(key,AES.MODE_ECB)；解密：record_bytes=cipher.decrypt(ciphertext)；解码并反序列化：record=json.loads(record_bytes.decode(utf-8).rstrip()；输出：print(record)；最终输出的内容按照程序中设定的顺序显示：输出 name:John Doe,contact:1234567890,condition:Healthy。需要注意，在上述过程中，关键的要素包括密钥的管理（如生成、存储和访问）和存储系统的安全性。密钥的管理应确保只有被授权的人员能访问密钥，存储系统的安全性应确保数据在存储和传输过程中不会被未授权的人员访问或修改。3 结束语在信息化快速发展的今天，保证医疗数据的安全传输与存储是医疗系统中的一项重要任务。基于密码学算法的安全机制能有效地解决这一问题，但实现这一目标需要对密码学算法有深入的理解，并充分考虑医疗环境的特性。本文详细分析密码学算法的原理，并构建了一套适应于医疗环境的安全传输与存储机制。此研究结果并非终点，而是一个起点，未来还需要在此基础上，不断优化和改进，才能使得医疗数据安全传输与存储的工作更加完善、有效。参考文献：1 吕舰.基于国密算法的网络通信传输数据安全存储方法J.长江信息通信,2023,36(04):171-174.2蔡渊.基于混沌加密的网络数据安全传输系统设计J.信息与电脑(理论版),2022,34(20):234-236.3王军.网络数据动态传输与存储安全自动监测系统设计J.自动化与仪器仪表,2020,(01):70-73.