ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДА ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ НА ОСНОВЕ СХЕМЫ ШАМИРА В МЕДИЦИНСКОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ
Аннотация
В современном мире медицинские информационные системы становятся наиболее
популярными инструментами для обработки, хранения, систематизации и передачи меди-
цинских данных пациентов. Медицинские обследования могут быть представлены в виде
файлов различных форматов и сильно варьироваться по размеру (от нескольких байт до
сотен гигабайт). Например, некоторые двоичные файлы имеют малый размер поскольку
содержат лишь заключения врачей в виде текстового описания, а файлы, записи ночного
видеомониторинга пациента или DICOM-файлы компьютерной томограммы органов чело-
века, содержащие несколько сотен слайсов могут достигать размера в сотни гигабайт.
Соответственно, большие файлы требуют значительных вычислительных ресурсов при
передаче с сервера на сервер. Кроме того, при использовании метода обеспечения безопас-
ности, который представляет собой алгоритм разделения секрета (файла с обследовани-
ем) по схеме Шамира операции, операции по разделению секрета на части и слиянию час-
тей воедино могут занимать больше времени при последовательном режиме работы, чем
при параллельном. Поэтому, видится возможность ускорить процесс обработки больших
данных без снижения уровня безопасности. Целью работы является подтверждение гипо-
тезы уменьшения времени на выполнения операцией разделения и слияния частей секрета с
использованием средств параллельных вычислений при реализации метода обеспечения
безопасности по схеме разделения секрета Шамира в медицинской информационной сис-
теме. Объектом исследования является метод обеспечения безопасности, который разра-
ботан авторами для внедрения в подсистемы защиты информации медицинской информа-
ционной системы. В рамках исследования проведен анализ наиболее эффективных средств
для распараллеливания процессов (MPI и OpenMP) и выбран инструмент, подходящий под
решение поставленной цели. Также проведены эксперименты (анализ времени в зависимо-
сти от количества параллельных потоков и количества символов, содержащихся в DICOM
файле), которые подтвердили концепцию возможности распараллелить алгоритм обмена
секретом на основе схемы Шамира, добившись почти линейного ускорения с помощью биб-
лиотеки MPI.
Литература
of "Big Data" technologies in medicine], Vrach i informatsionnye tekhnologii [Doctor and
information technologies], 2019, No. 1.
2. Kalugina E.A. Cistema elektronnogo dokumentooborota, ee preimushchestva i perekhod na
elektronnyy dokumentooborot [Electronic document management system, its advantages and
the transition to electronic document management], Vestnik NIB [Bulletin of the National Institute
of Business], 2019, No. 37.
3. Alekseev D.M., Babenko L.K., Shumilin A.S. Algoritm obespecheniya zashchity
konfidentsial'nykh dannykh oblachnoy meditsinskoy informatsionnoy sistemy [Algorithm for
ensuring the protection of confidential data of a cloud medical information system], Izvestiya
YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2021, No. 5 (222),
pp. 120-134.
4. Shumilin A., Babenko L., Alekseev D. Development of the algorithm to ensure the protection of
confidential data in cloud medical information system, 2021 14th International Conference on
Security of Information and Networks (SIN).
5. Sundukov R.Sh., Koroleva V.V. Programmnoe sredstvo razdeleniya sekreta s ispol'zovaniem
skhemy Shamira [A software tool for sharing a secret using the Shamir scheme], Bezopasnost'
informatsionnogo prostranstva: Sb. trudov ХVIII Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy
konferentsii studentov, aspirantov i molodykh uchenykh, Magnitogorsk, 28–29 noyabrya 2019
goda [Security of the information space: Collection of proceedings of the XVIII All-Russian
scientific and practical conference of students, graduate students and young scientists, Magnitogorsk,
November 28–29, 2019]. Magnitogorsk: Magnitogorskiy gosudarstvennyy
tekhnicheskiy universitet im. G.I. Nosova, 2019, pp. 263-267. EDN MGJHFO.
6. Skhema razdeleniya sekreta Shamira. Khabr zhurnal [Shamir's secret sharing scheme. Habr magazine.
– Access mode]. Available at: https://habr.com/ru/post/431392/ (accesse 22 August 2023).
7. Cryptographic algorithms – Shamir Secret Sharing. Available at:
https://cryptography.fandom.com/wiki/Shamir%27s_Secret_Sharing (accesse: 22 August 2023).
8. Parvatov N.G. Sovershennye skhemy razdeleniya sekreta [Perfect secret sharing schemes],
Prikladnaya diskretnaya matematika [Applied discrete mathematics], 2008, No. 2 (2), pp. 41-47.
9. Chervyakov N.I., Deryabin M.A. Novyy metod porogovogo razdeleniya sekreta, osnovannyy
na sisteme ostatochnykh klassov [A new threshold secret sharing method based on a system of
residual classes], Informatsionnye tekhnologii [Information technologies], 2016,Vol.. 22,
No. 3, pp. 211-219.
10. Shenets N.N. Ob ideal'nykh modulyarnykh skhemakh razdeleniya sekreta v kol'tsakh
mnogochlenov ot neskol'kikh peremennykh [On ideal modular secret sharing schemes in polynomial
rings of several variables], 2019.
11. Martishin S.A., Khrapchenko M.V., Shokurov A.V. Issledovanie zadachi obespecheniya
bezopasnosti pri khranenii i obrabotke konfidentsial'nykh dannykh [Study of the problem of
ensuring security during the storage and processing of confidential data], Tr. ISP RAN
[Proceedings of ISP RAS], 2021, No. 2.
12. Minakov V.F., SHepeleva O.Yu., Lobanov O.S. Mnogofaktornaya model' obespecheniya
bezopasnosti konfidentsial'nykh dannykh [Multifactor model for ensuring the security of confidential
data], Pravovaya informatika [Legal informatics], 2020, No. 1.
13. Basavegowda R., Seenapp S. Electronic Medical Report Security Using Visual Secret Sharing
Scheme, 2013 UKSim 15th International Conference on Computer Modelling and Simulation.
14. Titov K.E. Issledovanie povedeniya freymvorka openmp v programmakh s parallel'nymi
vychisleniyami [Study of the behavior of the openmp framework in programs with parallel
computing], E-Scio, 2021, No. 4 (55).
15. Martynenko S.I., Bakhtin V.A., Rumyantsev E.V., Tarasov G.A., Seredkin N.N., Boyarskikh K.A.
Parallel'noe reshenie kraevykh zadach s pomoshch'yu tekhnologii openmp [Parallel solution of
boundary value problems using openmp technology], Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser.
Estestvennye nauki [Bulletin of MSTU im. N.E. Bauman. Series Natural Sciences], 2022,
No. 2 (101).
16. Aksenov S.V., Mal'chukov A.N., Mytsko E.A. Primenenie tekhnologii parallel'nykh vychisleniy
OpenMP dlya poiska obrazuyushchikh polinomov [Application of OpenMP parallel computing
technology to search for generating polynomials], Vestnik evraziyskoy nauki [Bulletin of
Eurasian Science], 2013, No. 6 (19).
17. MPI. Available at:https://ru.wikipedia.org/wiki/MPI (accessed 22 August.2023).
18. Tuzko Ya.N., Sokolova O.O., Akishin B.A. Organizatsiya parallel'nykh vychisleniy v
mnogoyadernykh protsessorakh [Organization of parallel computing in multi-core processors],
Molodoy issledovatel' Dona [Young researcher of the Don], 2018, No. 5 (14).
19. Gervich L.R., Shteynberg B.Ya. Ob avtomatizatsii primeneniya razmeshcheniya dannykh s
perekrytiyami v raspredelennoy pamyati [On automation of the application of data placement
with overlaps in distributed memory], Vestnik YuUrGU. Seriya: Matematicheskoe
modelirovanie i programmirovanie [Bulletin of the South Ural State University. Series:
Mathematical modeling and programming], 2023, No. 1.
20. Listunov S.B. Issledovanie metoda resheniya zadach interpolyatsii funktsii metodom polinoma
Lagranzha [Research of a method for solving problems of interpolation of a function using the
Lagrange polynomial method], Nauchnye mezhdistsiplinarnye issledovaniya [Scientific interdisciplinary
research], 2021, No. 2.
