Fogchain: a fog computing architecture integrating blockchain and Internet of things for personal health records
| Orientador(a) (dc.contributor.advisor) | Costa, Cristiano André da | |
| Lattes Orientador(a) (dc.contributor.advisorLattes) | http://lattes.cnpq.br/9637121030877187 | pt_BR |
| Autor(a) (dc.contributor.author) | Mayer, André Henrique | |
| Autor(a) Lattes (dc.contributor.authorLattes) | http://lattes.cnpq.br/8169010015993110 | pt_BR |
| Data de Disponibilização (dc.date.accessioned) | 2020-07-24T19:16:24Z | |
| dc.date.available (dc.date.available) | 2020-07-24T19:16:24Z | |
| Data da defesa / Data do evento (dc.date.issued) | 2020-02-28 | |
| Abstract (dc.description.abstract) | The Internet of Things adoption grows significantly and is successful in many different domains. Nevertheless, the ever-growing demand for more connected devices pushes the requirement for scalable IoT architectures capable of maintaining the security and privacy of collected data. The latter is a particularly critical aspect when considering sensitive data, e.g., medical records. One solution to address this challenge is to modify the centralized back-end model to one based on a Blockchain, changing the way IoT data is stored and shared by providing a decentralized peer-to-peer network. This technology enables naming and tracking for connected devices, and in the case of this article, it features a high availability of Personal Health Records, yet protecting patient’s privacy through the use of cryptography. Furthermore, the addition of fog computing mechanisms may assist healthcare applications to achieve faster local data processing, thus improving overall response time. As a result, devices have a local and more resilient ecosystem for operation. Our motivation lies when patients often leave their medical data scattered across various organizations (e.g. hospitals) as life events take them away from one provider’s data silo and into another, and, in doing so, they lose easy access to past data, as the provider, not the patient, generally retains primary stewardship. In this context, this work aims to propose an architecture model named FogChain, placing a distributed Blockchain network for management of patient’s personal health records, while integrating the Blockchain, Fog computing, and the Internet of Things technologies for the healthcare domain. Our expected main contribution is the FogChain model itself, and its concept of overcoming IoT constraints by adding an intermediary fog layer near to the edge to improve their capabilities and resources. To do so, a prototype was developed for evaluation, trough open-source projects, and structures for application development such as Node.js and Hyperledger Fabric Blockchain, while simulations and benchmarks were executed in a fog-like environment to collect metrics and information such as throughput and network latency regarding this technologies integrator. During our end-to-end experiments, the fog computing environment demonstrated a response time to be at least twice faster in comparison with cloud computing and pointed out that our proposed model is capable of achieving its goals of safely storing personal health records while retaining application performance. The FogChain implementation for PHR management demonstrated satisfactory proofs regarding the feasibility of FogChain architecture, while it demonstrated only a slice of how Blockchain could be employed in the healthcare domain, benefiting from its cryptographic and tamper-proof nature, which adds an additional security layer so necessary for healthcare applications, and in the meantime, it is safe to say that fog computing can play a big role in healthcare applications, providing local processing power, services, and increasing resources availability. However, more research, trials, and experiments must be carried out to ensure a secure and stable system is implanted before using our model in a real healthcare scenario, given the nature of patient’s health data being critical sensitive information. | en |
| Resumo (dc.description.resumo) | A adoção da Internet das Coisas cresce significativamente e é bem-sucedida em diversos domínios diferentes. No entanto, a crescente demanda por mais dispositivos conectados aumenta o requisito de arquiteturas de IoT escaláveis, capazes de manter a segurança e a privacidade dos dados coletados. Este último é um aspecto particularmente crítico ao considerar dados sensíveis, por exemplo, registros médicos. Uma solução para enfrentar esse desafio é modificar o modelo de arquitetura centralizado, para um distribuído baseado em Blockchain, alterando a maneira como os dados da IoT são armazenados e compartilhados, fornecendo uma rede ponto a ponto descentralizada. A tecnologia Blockchain permite nomear e rastrear dispositivos conectados e, no caso deste trabalho, apresenta uma alta disponibilidade de registros pessoais de saúde, protegendo ainda a privacidade do paciente através do uso de criptografia. Além disso, a adição de mecanismos de computação em neblina permite o processamento local de dados, otimizando o tempo de resposta das aplicações de saúde. Como resultado, os dispositivos podem contar com um ecossistema local mais resiliente para operação. Nossa motivação reside no sentido em que os pacientes geralmente deixam seus dados médicos espalhados por várias organizações (por exemplo, hospitais), à medida que os eventos da vida os afastam do silo de dados, de um provedor e para outro e, ao fazê-lo, perdem o acesso fácil aos dados pregressos, uma vez que é o provedor de saúde, e não o paciente, quem geralmente mantém a administração primária sobre tais registros. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo propor uma solução disruptiva para o domínio da saúde, através da utilização de uma rede Blockchain distribuída para gerenciamento dos registros pessoais de saúde, descrevendo um modelo de arquitetura que combina as tecnologias Blockchain, Computação em neblina e Internet das Coisas. Nossa principal contribuição é a concepção do modelo FogChain e suas características voltadas para superar as limitações dos dispositivos IoT, adicionando uma camada intermediária de neblina próxima à borda para melhorar suas capacidades e recursos. Para tal, foi desenvolvido um protótipo para avaliação, através de projetos de código aberto como por exemplo, Node.js e Hyperledger Fabric, enquanto simulações e testes de desempenho foram executados em um ambiente de neblina, coletando métricas e informações como cadência da aplicação e latência da rede em relação a esse integrador de tecnologias. Durante nossos experimentos, o ambiente de computação em neblina demonstrou um tempo de resposta ao menos duas vezes mais rápido em comparação com a computação em nuvem e apontou a viabilidade do modelo proposto, como sendo capaz de atingir seus objetivos de armazenar com segurança registros de saúde, mantendo o desempenho da aplicação. Tais experimentos demonstraram apenas uma fatia de como a tecnologia Blockchain pode vir a ser empregada no domínio da saúde, beneficiando-se de sua natureza criptográfica e à prova de adulteração, o que adiciona uma camada de segurança adicional tão necessária para aplicativos da medicina e, entretanto, é seguro dizer que a computação em neblina pode desempenhar um grande papel em aplicativos deste setor, fornecendo maior poder de processamento local, serviços e aumentando a disponibilidade de recursos. No entanto, mais pesquisas, ensaios e experimentos devem ser realizados para garantir que um sistema seguro e estável seja implantado antes de usar nosso modelo em um cenário real de assistência médica, tendo em vista que a natureza dos dados de saúde do paciente é uma informação demasiada sensível e crítica. | pt_BR |
| Agência de fomento (dc.description.sponsorship) | CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior | pt_BR |
| URI (dc.identifier.uri) | http://www.repositorio.jesuita.org.br/handle/UNISINOS/9212 | |
| Idioma (dc.language) | en | en |
| Nome da instituição (dc.publisher) | Universidade do Vale do Rio dos Sinos | pt_BR |
| País da Instituição (dc.publisher.country) | Brasil | pt_BR |
| Departamento (dc.publisher.department) | Escola Politécnica | pt_BR |
| Sigla da Instituição (dc.publisher.initials) | Unisinos | pt_BR |
| Programa (dc.publisher.program) | Programa de Pós-Graduação em Computação Aplicada | pt_BR |
| Direitos de acesso ao documento (dc.rights) | openAccess | pt_BR |
| Assunto (dc.subject) | Internet das coisas | pt_BR |
| Assunto (dc.subject) | Blockchain | en |
| Assunto (dc.subject) | Computação em neblina | pt_BR |
| Assunto (dc.subject) | Sistemas distribuídos | pt_BR |
| Assunto (dc.subject) | Internet of things | en |
| Assunto (dc.subject) | Fog computing | en |
| Assunto (dc.subject) | Distributed systems | en |
| Tema (CNPq) (dc.subject.cnpq) | ACCNPQ::Ciências Exatas e da Terra::Ciência da Computação | pt_BR |
| Título (dc.title) | Fogchain: a fog computing architecture integrating blockchain and Internet of things for personal health records | en |
| Tipo de arquivo (dc.type) | Dissertação | pt_BR |
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