Body Area Networks (BAN) Wie sicher sind drahtlose Netze zur Erfassung von Körperfunktionen?

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In verschiedenen Szenarien gelten drahtlose Body Area Networks (BAN) als wichtige Basistechnologie zur Unterstützung verschiedener Anwendungen der Telegesundheit. Aufgrund seines sensiblen Anwendungsbereichs ist es entscheidend, eine besonders vertrauenswürdige und zuverlässige Datenverwaltung sicherzustellen.

Body Area Networks (BANs) haben sich in den letzten Jahren zu einem wichtigen Forschungstrend entwickelt. Dies gilt insbesondere für den Bereich der Gesundheits- und Wellness­überwachung, personalisierten Medizin (Herzmonitore etc.), des Sporttrainings (Leistungsmessung) sowie der persönlichen Sicherheit (Sturzerkennung etc.).

Body Area Networks (BANs) verbinden nahtlos miniaturisierte Geräte und Bio-Sensoren mit geringem Stromverbrauch, die am menschlichen Körper getragen oder implantiert werden. Obwohl BANs einige gemeinsame Merkmale mit generischen drahtlosen Sensor-Netzwerken (WSNs) aufweisen, wird davon ausgegangen, dass die beiden Netzwerke über sehr unterschiedliche Sicherheitsschemata verfügen sollten.

Sicherheitsanforderungen für BANs

In WSNs gelten die Sicherheitsmechanismen (Verschlüsselung, Entschlüsselung, Signieren von Daten, Überprüfen von Signaturen etc.) als Hauptfaktoren, die den Stromverbrauch von Sensorknoten maßgeblich beeinflussen. Begrenzte Energie verbietet daher den Einsatz komplexer Sicherheitsmechanismen. Daher lassen sich die für WSNs entwickelten Security-Protokolle nicht auf BANs anwenden. Aus diesen Gründen ist es angezeigt, das Sicherheitsniveau und den damit verbundenen Verbrauchsaufwand in Einklang zu bringen.

BANs, die für Gesundheitsanwendungen zum Einsatz kommen, müssen vor unbefugten Zugriffen auf Gesundheitsinformationen, Fälschung von Identitäten oder Datenmanipulationen geschützt werden. Um diesen Sicherheitsbedrohungen zu begegnen, sind bei der Analyse der Sicherheitsanforderungen verschiedene miteinander verflochtene Bereiche zu beachten. Dazu gehören unter anderem folgende Kriterien:

Vertraulichkeit

Die Daten müssen während der Speicherung in BAN-Netzen oder auf dem zentralen Server sicher aufbewahrt werden. Selbst wenn der Knoten oder Server kompromittiert ist, sollte der Angreifer keine Informationen erhalten.

Datenintegrität

Unter Datenintegrität versteht man die Gewährleistung, dass während einer Speicherung oder Übertragung keine unbefugten Änderungen an den Daten vorgenommen werden können. Alle böswilligen Änderungen sollten vor der Verwendung erkannt und die entsprechenden Personen alarmiert werden. Dies kann durch Protokolle der Datenauthentifizierung erreicht werden. Durch diese Authentifizierung kann ein Empfänger überprüfen, ob der angegebene Absender die Nachricht gesendet hat.

Es muss überprüft werden, ob die Daten von einem vertrauenswürdigen Sensor gesendet wurden und nicht von einem Angreifer, der einen Knoten oder Controller dazu manipuliert hat, falsche Daten zu akzeptieren. Bei einem BAN lässt sich eine Datenauthentifizierung durch den Einsatz symmetrischer Techniken (Schlüssel zum Ver- und Entschlüsseln ist identisch) erreichen. Das heißt, Knoten und Controller teilen sich einen geheimen Schlüssel, der zur Berechnung eines Message Authentication Codes (MAC) aller Daten verwendet wird. Wenn Daten mit korrektem MAC eintreffen, weiß der Controller, dass sie von einem vertrauenswürdigen Knoten stammen.

Datenverfügbarkeit

Datenverfügbarkeit bedeutet, dass den echten Benutzern korrekte Daten zur Verfügung stehen. Wenn keine korrekten Daten empfangen werden, kann dies lebensbedrohlich sein. Auch der Datenaustausch mit anderen Maschinen oder Menschen muss authentifiziert werden. Wenn es Hackern gelingt, kritische Knotenpunkte zu korrumpieren, steht die Gesundheit der Patienten auf dem Spiel. Daher muss die Funktion auch auf einen oder mehrere andere Knoten übertragen werden können.

Sicherheitsansätze für BANs

Interoperabilität, niedrige Kosten und Benutzerfreundlichkeit sind wichtige Voraussetzungen für einen Massenmarkt. Um echte Plug-and-Play-Interoperabilität zu ermöglichen, müssen alle Schichten des Protokollstapels, Anwendungsprofile und Datenaustauschformate standardisiert werden. Für BANs existieren bereits verschiedene Standard-Kommunikationsprotokolle, die vom IEEE-Standardkomitee für WSN-Kommunikation unterstützt werden. Dazu gehören IEEE 802.15.1 (Bluetooth), IEEE 802.15.3 (UWB), IEEE 802.15.4 (Zigbee) sowie IEEE 802.15.6. In der Folge werden zwei davon kurz vorgestellt:

IEEE 802.15.1 (Bluetooth)

Mithilfe von Bluetooth ist es durch die Energiespar-Technologie möglich, Geräte mit winzigen Knopfzellen-Batterien über Monate oder teilweise sogar Jahre zu betreiben. Im Hinblick auf die Sicherheit sind vier verschiedene Elemente im Einsatz: eine öffentliche Adresse, die für jeden User spezifiziert ist, zwei verborgene Schlüssel und eine Zufallszahl, die bei jeder Transaktion zugewiesen wird.

Der Schlüssel für die Initialisierung wird während des Initialisierungsvorgangs als Verbindungsschlüssel verwendet, wenn keine Kombinations- oder Einheitenschlüssel definiert und ausgetauscht wurden oder wenn ein Verbindungsschlüssel verloren ging. Der Initialisierungsschlüssel schützt die Übertragung von Parametern bei der Initialisierung. Der Schlüssel wird aus einer Zufallszahl, einem PIN-Code bzw. der öffentlichen Adresse abgeleitet.

IEEE 802.15.6

Bei den etwas älteren Kommunikationsprotokollen IEEE 802.15.1 (Bluetooth) oder auch IEEE 802.15.3 (UWB) bzw. IEEE 802.15.4 (Zigbee) handelt es sich jedoch nicht um optimierte Lösungen, da sie die Einschränkungen und Sicherheitsanforderungen von BANs nicht vollständig erfüllen. Vor diesem Hintergrund wurde die IEEE 802.15.6 Task Group 6 (TG6) mit dem Ziel gegründet, einen Kommunikationsstandard zu entwickeln, der für Geräte und Prozesse im oder um den menschlichen Körper optimiert sind.

Dieser internationale Standard steht vor allem für geringe Leistungsaufnahme, kurze Reichweite sowie äußerst zuverlässige drahtlose Kommunikation, der eine große Bandbreite an Datenraten unterstützt. Auf diese Weise ist es möglich, eine Vielzahl von Anwendungen zu bedienen, darunter Medizin, allgemein Elektronik oder Freizeit- und Unterhaltungselektronik.

Die Standardisierung sieht für eine gesicherte Kommunikation von BANs drei Sicherheitsstufen zwischen Knoten und Hubs vor: ungesicherte Kommunikation, Authentifizierung, aber keine Verschlüsselung, Authentifizierung und Verschlüsselung.

Der Sicherheitsdienst in diesem Entwurf konzentrierte sich hauptsächlich auf die Schlüsselgenerierung, Schlüsselverteilung und Nachrichtenauthentifizierung. Die Schlüsselgenerierung und -verteilung basieren auf der Diffie-Hellman-Schlüssel­austausch­methode und der vorinstallierten Zuordnung, und der Message Integrity Check (MIC) wird zur Authentifizierung von Nachrichten verwendet.

Fazit

Im aktuellen Szenario entwickeln sich drahtlose BANs zu einem geeigneten Ansatz insbesondere für das Gesundheitswesen. Ein solches Netzwerk trägt dazu bei, dass die Daten vom Patienten störungsfrei zum Arzt übertragen werden. Die Fernüberwachung elektronischer Gesundheitsdienste bildet dabei ein anspruchsvolles System im Gesundheitswesen und bei biomedizinischen Anwendungen ab. Sicherheit, Datenschutz, Energieeffizienz, Netzwerklebensdauer, Rechenaufwand und Paketzustellungsrate müssen in drahtlosen Body Area Networks gleichsam gewährleistet sein.

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