Luottamuksellinen tietokonejärjestelmien integrointi homomorfisella salausmenetelmällä

Abstract

Perinteisessä salauksessa tieto suojataan siirron ja tallennuksen aikana mahdollisilta hyökkäyksiltä, mutta salaus tyypillisesti poistetaan käsittelyn yhteydessä, jonka aikana kaikki tiedot ovat potentiaalisesti alttiina väärinkäytölle. Tämä rajoitus muodostaa merkittävän esteen tietosuojavaatimusten täyttämiselle.

Insinöörityö käsittelee luottamuksellista tietojenkäsittelyä tavalla, joka säilyttää yksityisyyden tietojen käsittelyn kaikissa vaiheissa ja täyttää Euroopan unionin asettamat tietosuojalainsäädökset.

Tavoitteena on tutustua TPM 2.0 -turvapiiriin ominaisuuksiin ja tietojenkäsittelyyn homomorfisella salausmenetelmällä. Työ esittelee kattavan teorian ohessa käyttötapauksen sekä toteutuksen aikana esiintyneitä haasteista. Työn lähtökohtana oli keväällä 2022 toteutettu innovaatioprojekti, jossa hyödynnettiin IoT-ohjelmistokehystä juna-asemien simuloinnissa. Projektin aikana ilmeni tietoturvamalleihin liittyviä haasteita, jotka eivät kyenneet täysin suojamaan arkaluoteista tietoa. Näiden haasteiden pohjalta kehitettiin oma toteutus.

Työn tuloksena on järjestelmä, joka ylläpitää yksityisyyttä ja tietosuojaa. Järjestelmässä yhdistettiin homomorfinen salaus ja TPM 2.0 -salausmoduulin eheysmekanismit käytännön sovelluksessa, jossa simuloitiin elektrokardiogrammin (EKG) turvallista käsittelyä. Käyttötapauksessa EKG-simulaattorin tuottamat mittaukset diagnosoitiin etälaitteella arkaluonteisten tietojen pysyessä salattuina.

Työn järjestelmän sovellettavuus ulottuu moniin tietoturvaa vaativiin sovelluksiin erityisesti terveydenhuollon ja älykkäiden järjestelmien alueilla.

Traditional encryption protects data during transmission and storage from potential attacks, but it is typically removed for processing and analysis, during which all data is potentially vulnerable. This limitation creates significant barrier to meeting data protection laws.

This thesis addresses the confidential data handling in a way that maintains integrity and privacy of data at all stages of processing and complies with protection legislation set by European Union.

The aim of the study was to explore the features of homomorphic encryption along with the Trusted Platform Module (TPM 2.0) security architecture. The thesis presents a comprehensive theory with a use case, as well as the challenges encountered during implementation.

The subject of this thesis originates from innovation project conducted in the spring of 2022 in partnership with Nokia Bell Labs. The project involved simulating train platform information systems developed on a IoT software framework. There were challenges identified with data security models that were not able to fully protect sensitive data. The challenges met during the project laid the groundwork for a dedicated implementation later developed.

The resulting system maintains privacy and data protection. The framework combined homomorphic encryption with integrity mechanisms of TPM 2.0 module in practical application simulating secure processing of an electrocardiogram (ECG). In the use case, measurements generated by the ECG-simulator were diagnosed on a remote machine while sensitive data remained encrypted without revealing the contents.