Adaptive management for resilient internet of health things communication

Abstract

Resumo: A Internet das Coisas (IoT) apoiou o desenvolvimento de inúmeras aplicações, contribuindo com o progresso econômico e tecnológico e promovendo benefícios na qualidade de vida dos utilizadores. A IoT representa uma evolução de tecnologias existentes na Internet, compreendendo não apenas computadores e telefones celulares, mas também vários dispositivos heterogêneos em tamanho, tipo e funcionalidade. Mais especificamente, no domínio da saúde, as aplicações IoT levaram ao conceito de Internet of Health Things (IoHT). IoHT refere-se à integração de dispositivos relacionados à saúde conectados entre si e à Internet. A IoHT está revolucionando a medicina, proporcionando fácil acesso a dados relacionados à saúde para usuários e profissionais da área, possibilitando melhorias no monitoramento remoto e desenvolvendo novas aplicações. No entanto, a natureza heterogênea dos dispositivos e tecnologias de comunicação, a sensibilidade dos seus dados e as questões legais e de privacidade tornam a segurança da IoHT uma prioridade. Muitas das práticas de segurança atuais são inadequadas devido à baixa capacidade computacional e às características dinâmicas do ambiente IoHT, tornando-se necessário remodelar os mecanismos de segurança para tornar a IoHT resiliente contra ameaças. Além disso, as aplicações IoHT coletam e transmitem dados críticos, o que torna os requisitos de desempenho muito rigorosos. O foco principal desta tese é buscar soluções resilientes e seguras para resolver problemas de comunicação existentes na IoHT. Esta tese aborda as questões críticas relativas à segurança e ao desempenho para cada nível fundamental de operação relacionado à comunicação IoHT. A hipótese investigada é que ao adicionar gerenciamento adaptativo em todos os níveis fundamentais da comunicação, é possível aprimorar a resiliência geral e preservar o desempenho da rede necessário para aplicações IoHT. O gerenciamento adaptativo é uma abordagem estruturada para tomada de decisões baseada na gestão dos recursos naturais e que habilita fases iterativas de aprendizagem e adaptação do controle para alcançar plenamente os objetivos do gerenciamento. As contribuições feitas nesta tese incluem um novo mecanismo de autenticação baseado em bio-sinais dos usuários e na comunicação intra corporal sem fio, uma arquitetura de gerenciamento resiliente para lidar com a comunicação multi-caminho e, ao mesmo tempo, auxiliar a mobilidade dos usuários em cenários da IoHT, e uma nova abordagem para analisar a resiliência em ambientes de IoHT considerando as múltiplas topologias de comunicação existentes. Estudos adicionais que consideram disciplinas de resiliência em ambientes IoT mostram que as relações entre segurança e desempenho são muito restritas e que os mecanismos de segurança devem ser cuidadosamente adaptados e implementados para alcançar a resiliência.

Abstract: The Internet of Things (IoT) has promoted the development of numerous applications, driving economic and technological progress and improving the quality of life for users. The IoT represents an evolution from other Internet technologies, comprising not only computers and cell phones but also various heterogeneous devices in size, type, and functionality. More specifically, in the health domain, IoT applications have led to the Internet of Health Things (IoHT) concept. IoHT refers to integrating health-related devices connected among themselves and the Internet. IoHT is revolutionizing medicine, providing easy access to health-related data for users and professionals in the field, enabling improvements in remote monitoring, and developing new applications. However, the heterogeneous nature of communication devices and technologies, the sensitivity of their data, and legal and privacy issues make IoHT security a top priority for researchers worldwide. Many of the current security practices are inadequate due to the low computational capacity and dynamic characteristics of the IoHT environment, which are necessary to remodel the security mechanisms to make the IoHT resilient against threats. Furthermore, IoHT applications collect and transmit critical data, which makes performance requirements very strict. The main focus of this thesis is to seek resilient and secure solutions to address existing communication problems in IoHT. This thesis tackles the critical issues regarding security and performance for each fundamental level of IoHT communication operation. The hypothesis investigated is about adding adaptive management throughout the fundamental levels to increase overall resilience and preserve the network performance necessary for IoHT applications. Adaptive management is a structured approach to decision-making based on natural resources management that encourages iterative phases of learning and adaptation of control to fully meet the objectives of management. The contributions made in this thesis include a novel authentication mechanism based on users’ biosignals and wireless intrabody communication, a resilient management architecture to handle multipath communication while assisting users’ mobility in IoHT scenarios, and a novel approach to analyze resilience in IoHT environments considering the multiple communication topologies available. Additional studies considering resilience disciplines in IoHT environments show that the relationships between security and performance are very tight and that security mechanisms must be carefully adapted and implemented to achieve resilience.