Propuesta de una arquitectura de red basada en internet de las cosas para la integración ubicua de entornos clínicos con soporte escalable a la seguridad y la movilidad= Communication architecture for clinical environments based on the internet of things to support scalabe security and mobility.

Abstract

Internet de las cosas es considerado uno de los mayores avances en las tecnologías de la comunicación durante los últimos años. Internet de las cosas ofrece los pilares para el desarrollo de aplicaciones y servicios colaborativos a través de la integración en Internet y la Web de todos los dispositivos existentes a nuestro alrededor. Muchos trabajos se están llevando a cabo para la aplicación del Internet de las cosas en otra áreas como automatización de edificios, transportes, y en particular para entornos clínicos. Esta nueva concepción de extender Internet a todas las cosas es posible gracias a la nueva versión del protocolo de Internet: IPv6. IPv6 extiende el espacio de direccionamiento para ser capaz de albergar todas las cosas que están siendo conectadas a Internet. IPv6 ha sido diseñado para ofrecer comunicaciones seguras a los usuarios, así como movilidad a todos los dispositivos utilizados por ese usuario. De esa manera, el usuario puede estar conectado en cualquier momento y desde cualquier lugar de una forma segura. El principal objetivo de esta tesis doctoral ha sido el desarrollo de una arquitectura de comunicación para entornos clínicos basada en Internet de las cosas (IPv6). Este objetivo conlleva un conjunto de objetivos científicos en términos de maximizar la eficiencia y rendimiento a través de ofrecer mecanismo para facilitar la integración de dispositivos a través de las tecnologías de Internet, ofrecer mecanismos para la interacción entre usuario / sistemas, y finalmente ofrecer un soporte adecuado de la seguridad y la movilidad. La metodología seguida ha sido el análisis de los requisitos de los entornos clínicos en materia de dispositivos clínicos, protocolos existentes, y requisitos para las comunicaciones en términos de capacidad, seguridad, y movilidad. Una vez definidos dicho entornos se han evaluado las tecnologías existentes de Internet de las cosas en términos de conectividad (IPv6), seguridad y movilidad. Se han analizado el rendimiento de los protocolos existentes en el estado del arte, y posteriormente se han propuesto una familia de nuevos protocolos en materia de conectividad, seguridad y movilidad que satisficiesen los requisitos de entornos clínicos, así como nuevos protocolos de aplicación para algunos casos clínicos tales como diabetes, cardiología, y enfermedades respiratorias. En concreto los resultados han sido, en primer lugar el desarrollo de un conjunto de mecanismos y protocolos para direccionar cualquier tipo de objeto, recurso o cosa con una dirección IPv6 con el objetivo de alcanzar una red basada en IPv6 que integre múltiples tecnologías en un espacio de direccionamiento común, en concreto los mecanismo propuestos son: GLoWBAL IPv6 e IPv6 Addressing Proxy. Una vez que todas las cosas son accesibles a través de una dirección IPv6, podría ser considerado que también podrían ser beneficiadas con todos los protocolos desarrollos en torno a IPv6, es decir, protocolos para movilidad en IPv6 como MIPv6 y protocolos para soportar la seguridad en IPv6 como IPSec.

Para el soporte a la seguridad se han desarrollado optimizaciones de las primitivas criptográficas utilizadas en IPSec y para los protocolos de aplicación. Además del soporte a la seguridad, se ha desarrollado el soporte a la movilidad a través de una versión ligera del protocolo MIPv6, y se han explorado otras alternativas como HIMALIS (una arquitectura basada en separación de Identificador y Localizador). Finalmente, se ha desarrollado un protocolo de aplicación para entornos clínicos sobre la pila de comunicaciones construida llamado YOAPY. La arquitectura de comunicación para entornos clínicos propuesta ha sido evaluada exhaustivamente para enfermedades crónicas como la diabetes, la monitorización continúa de enfermedades cardiacas, adherencia y seguimiento del tratamiento, y finalmente en el contexto del proyecto AIRE, para paciente con problemas respiratorios. Internet of Things (IoT) is considered one of the major communication advances in recent years, since it offers the basis for the development of cooperative services and applications. Extensive research using this concept in different areas, such as building automation, Intelligent Transport Systems, and in particular for healthcare, is being carried out. For example, its potential for mobile health applications has been reported in this thesis, showing its potential identification capacities for drug identification, and its communication capabilities in offering ubiquitous therapy by providing wireless and mobility capabilities for personal devices and smart objects, in addition to allowing the collection of data anytime and anywhere. This new conception of extending Internet to everything is feasible thanks to the new version of the Internet Protocol (IPv6). IPv6 spreads the addressing space in order to support all the emerging Internet-enabled devices. IPv6 has been designed to provide secure communications to users and mobility for all devices attached to the user; thereby users can always be connected. IPv6 features are what have made it possible to think about connecting all the objects and to build the Internet of Things. For that reason, IPv6 is considered the most suitable technology for the Internet of Things, since it offers scalability, flexibility, tested, extended, ubiquitous, open, and end-to-end connectivity. The main goal is to propose a communication architecture for the next generation of IoT applications, especially for clinical environments, that maximizes its efficiency and performance through high integration capabilities, seamless interaction between users and systems, and that provides suitable support for security and mobility. The methodology has been the requirements analysis from clinical environments in terms clinical devices, protocols, and communication requirements (bandwidth, security, and mobility). Once described the clinical environments requirements, this thesis has evaluated the existing IoT solutions for connectivity (IPv6), security, and mobility. Once analyzed the performance of the state of the art solutions, this thesis has designed and proposed a set of protocols and mechanisms for the connectivity, security and mobility, which satisfies the requirements from clinical environments. In addition, a novel application protocol for clinical environments such as diabetes, cardiology, and breathing problems, has been proposed. Specifically, the results have been, first, new mechanisms and protocol to address any device, resource or thing through an IPv6 address in order to offer a homogenous addressing space that integrates everything. The proposed mechanisms are GLoWBAL IPv6 and IPv6 Addressing Proxy. After that all the relevant devices are accessible through IPv6, IoT requires to be enabled with additional protocols around IPv6 such as the mobility protocol for IPv6 (MIPv6) and the security protocol for IPv6 (IPSec). In order to support the security, this thesis has optimized the cryptographic primitives used in the protocol IPSec, and in other upper layers protocols. In addition to security, mobility has been also supported and optimized through a lightweight MIPv6 and also alternative solutions such as HIMALIS (ID/Locator split architecture). Finally, an application protocol called YOAPY has been developed in top of the proposed communication stack. The communication architecture for clinical environments has been exhaustively evaluated for chronic disease management such as diabetes, continuous monitoring of cardiovascular diseases, drug adherence, and finally in the framework of the AIRE project, for patients with breathing problems.