Diseño e implementación de una arquitectura de almacenamiento descentralizada con seguridad basada en tecnología blockchain y cifrado post-cuántico para aplicaciones médicas

El presente Trabajo Fin de Máster desarrolla una arquitectura integral para la gestión segura de datos médicos en redes IoT, combinando tecnología blockchain, mecanismos de consenso como Practical Byzantine Fault Tolerance y criptografía post-cuántica. Su propósito es responder a dos desafíos crecientes en el ámbito sanitario digital: por un lado, la necesidad de proteger la integridad y disponibilidad de la información clínica generada por dispositivos conectados; por otro, la urgencia de adoptar sistemas criptográficos resilientes ante futuras amenazas cuánticas, capaces de garantizar la confidencialidad de datos que deben preservarse durante décadas. El proyecto parte de la constatación de que los sistemas sanitarios actuales manejan grandes volúmenes de información sensible procedente de sensores corporales, monitores y plataformas IoT distribuidas. Esta información requiere ser almacenada y transmitida de forma fiable, con trazabilidad, resistencia a accesos no autorizados y protección frente a ciberataques. Las arquitecturas centralizadas tradicionales presentan riesgos significativos asociados a puntos únicos de fallo, escalabilidad limitada y vulnerabilidades tanto técnicas como organizativas. Frente a ello, este trabajo propone una solución descentralizada basada en una blockchain privada y diseñada para adaptarse a dispositivos con recursos computacionales reducidos. La contribución principal consiste en la integración coherente de tres tecnologías clave. En primer lugar, se adopta una blockchain sustentada en Practical Byzantine Fault Tolerance, un algoritmo de consenso que evita los elevados costes energéticos de esquemas como Proof of Work y las limitaciones de centralización propias de Proof of Authority. Su elección se fundamenta en la necesidad de una arquitectura eficiente, determinista y apropiada para redes privadas, donde los nodos participantes operan con grados controlados de confianza. En segundo lugar, se incorpora criptografía post-cuántica siguiendo las directrices del proceso de estandarización del NIST. El proyecto selecciona el protocolo KEMTLS, cuyas operaciones de establecimiento de claves emplean el esquema CRYSTALS-Kyber, lo que proporciona seguridad frente a ataques cuánticos y eficiencia en dispositivos IoT. Este enfoque evita el uso de firmas digitales post-cuánticas en la fase de handshake, reduciendo tanto la complejidad del protocolo como su consumo energético y facilitando su integración en plataformas embebidas. Finalmente, el trabajo desarrolla un sistema de almacenamiento distribuido basado en varias Raspberry Pi que actúan como una base de datos particionada. Cada dato médico es cifrado mediante la clave compartida generada con KEMTLS, enviado a una Raspberry concreta y almacenado tras un segundo cifrado local. Solo los metadatos esenciales, incluyendo la ubicación de almacenamiento, la hora del registro y el identificador del nodo, se incorporan a la blockchain, evitando la exposición de datos sensibles y garantizando simultáneamente su trazabilidad. Además, esto permite almacenar en la cadena de bloques un número reducido de datos, en línea con el carácter embebido de todo el sistema. La implementación completa se ha llevado a cabo mediante unos nodos desarrollados en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid, llamados Cookie, que ejecutan Contiki-NG y Raspberry Pi programadas en Python. El trabajo detalla todos los procesos necesarios: sincronización temporal de la red sin conexión a Internet, establecimiento de claves post-cuánticas, comunicación entre nodos mediante radio y UART, creación y validación secuencial de bloques, y mecanismos para evitar la saturación de la red ante picos de actividad. Una parte central del proyecto ha sido la evaluación experimental del consumo energético, esencial para determinar la viabilidad del sistema en entornos IoT médicos alimentados por batería. Se han caracterizado tanto las operaciones de consenso PBFT como el handshake de KEMTLS, obteniendo valores precisos mediante medidas de tensión y técnicas de integración numérica. Los resultados muestran que el coste energético de la participación en un consenso PBFT crece cuadráticamente con el número de nodos, mientras que el establecimiento de clave con KEMTLS mantiene un coste constante, ligeramente superior al de una única participación en PBFT, pero irrelevante al ejecutarse solo durante la inicialización. El análisis concluye que la arquitectura propuesta es viable, eficiente y escalable para redes de hasta miles de nodos, siempre que la frecuencia de creación de bloques se mantenga adecuada al ritmo real de generación de datos. El documento también expone un análisis del estado del arte que permite situar la propuesta frente a soluciones como BlockMedCare, MedChain, MedRec o MedBlock. Dichas plataformas, aunque valiosas, presentan limitaciones relacionadas con el tipo de consenso, el consumo energético, la centralización de validadores o la complejidad de su gobernanza. La arquitectura desarrollada en este proyecto supera estos inconvenientes al ofrecer una solución pura basada en PBFT que reduce la saturación, mejora la eficiencia, elimina dependencias externas y se adapta mejor a dispositivos embebidos. La memoria se estructura de forma progresiva para facilitar la comprensión completa del sistema. Tras la introducción, el documento presenta los fundamentos de blockchain, analizando críticamente varios mecanismos de consenso y justificando la elección de PBFT. A continuación, se describe la criptografía post-cuántica, revisando su contexto, los algoritmos estandarizados por el NIST y las razones para seleccionar Kyber y KEMTLS. Posteriormente, se dedica un capítulo al estado del arte para identificar las carencias de las soluciones existentes. Los capítulos centrales recogen la implementación práctica del sistema y su evaluación energética, mostrando tanto el diseño conceptual como los detalles de programación. Finalmente, las conclusiones sintetizan las aportaciones, discuten las implicaciones tecnológicas y presentan líneas futuras de mejora. Por último, el trabajo incluye un apartado de planificación y presupuesto que detalla la estructura temporal del proyecto, los recursos empleados, su amortización y los costes de personal. Se complementa con un análisis de impactos sociales, económicos, ambientales y éticos, vinculando los objetivos del proyecto con los Objetivos de Desarrollo Sostenible.