براهين الأمان لخوارزمية تشفير هجينة قابلة للعكس

جدول المحتويات

1 المقدمة

أصبحت حماية بيانات بطاقات الائتمان بالغة الأهمية مع هيمنة المدفوعات الرقمية على المعاملات المالية. أنشأ مجلس معايير أمان صناعة بطاقات الدفع (PCI SSC) معايير صارمة من خلال PCI DSS لحماية معلومات حاملي البطاقات. يبرز التشفير كتقنية أساسية تستبدل أرقام الحسابات الرئيسية الحساسة (PANs) برموز غير حساسة، مما يقلل من خطر اختراق البيانات مع الحفاظ على الوظائف التشغيلية.

يتناول هذا البحث التحديات الأمنية في أنظمة التشفير القابلة للعكس، مع التركيز بشكل خاص على النهج الهجين الذي يجمع بين تقنيات التشفير وآليات البحث. يؤكد الانتشار المتزايد للتشفير عبر معالجات الدفع ومنصات التجارة الإلكترونية والمؤسسات المالية على أهمية التطبيقات المثبتة أمنياً.

2 متطلبات تشفير PCI DSS

2.1 تحليل متطلبات الأمان

تحدد إرشادات PCI DSS متطلبات أمنية شاملة لحلول التشفير، تركز على عدم القابلية للعكس، والتفرد، والسرية. تشمل المتطلبات الرئيسية:

• استحالة استعادة PAN من الرمز دون ترخيص
• منع الهجمات التشفيرية من خلال خوارزميات قوية
• إجراءات آمنة لإدارة المفاتيح وتخزينها
• سجلات التدقيق وضوابط الوصول لأنظمة التشفير

2.2 تصنيف الرموز

تصنف PCI DSS الرموز إلى خمسة أنواع متميزة بناءً على خصائصها وطرق تنفيذها:

• الرموز غير القابلة للعكس القابلة للمصادقة: لا يمكن عكسها ولكن يمكن التحقق منها
• الرموز غير القابلة للعكس غير القابلة للمصادقة: غير قابلة للعكس تماماً دون قدرة التحقق
• الرموز التشفيرية القابلة للعكس: علاقة رياضية مع PAN باستخدام التشفير
• الرموز غير التشفيرية القابلة للعكس: استعادة PAN فقط من خلال جداول بحث آمنة
• الرموز الهجينة القابلة للعكس: مزيج من آليات التشفير والبحث

3 خوارزمية التشفير المقترحة

3.1 تصميم الخوارزمية

تستخدم خوارزمية التشفير الهجينة القابلة للعكس المقترحة تشفير الكتل كأساس تشفيري، معززة بمعاملات إدخال إضافية قد تكون عامة. يتضمن التصميم كلاً من التحويلات الرياضية وعناصر التخزين الآمنة لتحقيق الخصائص الهجينة.

3.2 الصياغة الرياضية

يمكن تمثيل دالة التشفير الأساسية كالتالي:

$Token = E_K(PAN \oplus AdditionalInput) \oplus Mask$

حيث:

• $E_K$ تمثل تشفير كتلة التشفير بالمفتاح السري $K$
• $PAN$ هو رقم الحساب الرئيسي
• $AdditionalInput$ تمثل المعاملات العامة الاختيارية
• $Mask$ يوفر أماناً إضافياً من خلال عمليات الإخفاء

function generateToken(pan, key, additionalInput):
    # مرحلة المعالجة المسبقة
    processedPAN = preprocess(pan)
    
    # التحويل التشفيري
    intermediate = blockCipher.encrypt(xor(processedPAN, additionalInput), key)
    
    # المعالجة اللاحقة والإخفاء
    token = xor(intermediate, generateMask(key, additionalInput))
    
    # تخزين التعيين في الخزنة الآمنة إذا لزم الأمر
    if hybrid_mode:
        secureVault.storeMapping(token, pan)
    
    return token

function recoverPAN(token, key, additionalInput):
    # عكس التحويل
    intermediate = xor(token, generateMask(key, additionalInput))
    
    # العكس التشفيري
    processedPAN = xor(blockCipher.decrypt(intermediate, key), additionalInput)
    
    # للنمط الهجين، التحقق من الخزنة الآمنة
    if hybrid_mode:
        pan = secureVault.retrievePAN(token)
        if pan != postprocess(processedPAN):
            raise SecurityError("عدم تطابق تعيين الرمز-PAN")
    
    return postprocess(processedPAN)

4 براهين الأمان

4.1 نموذج الأمان IND-CPA

يوفر نموذج الأمان "عدم القابلية للتمييز تحت هجوم النص المختار" (IND-CPA) إطاراً صارماً لتحليل خوارزمية التشفير المقترحة. في هذا النموذج، لا يستطيع الخصم التمييز بين الرموز المُنشأة من PANs مختلفة، حتى عندما يُسمح له باختيار نصوص واضحة للتشفير.

يُثبت برهان الأمان أنه إذا كان تشفير الكتل الأساسي آمناً، فإن نظام التشفير يحافظ على أمان IND-CPA. يستخدم البرهان تقنيات الاختزال التشفيري القياسية، موضحاً أن أي هجوم ناجح على نظام التشفير يمكن استخدامه لكسر أمان تشفير الكتل.

4.2 براهين الأمان الرسمية

يقدم البحث براهين أمان رسمية متعددة تتناول سيناريوهات الهجوم المختلفة:

• النظرية 1: أمان IND-CPA تحت افتراضات النموذج القياسي
• النظرية 2: المقاومة لهجمات التصادم في فضاء الرموز
• النظرية 3: الأمان ضد هجمات استعادة المفتاح
• النظرية 4: الحفاظ على خصائص الحفاظ على التنسيق

تستفيد براهين الأمان من مفهوم دوال العشوائية الزائفة (PRFs) وتثبت أن دالة التشفير لا يمكن تمييزها حسابياً عن دالة عشوائية لأي خصم احتمالي ذي وقت متعدد الحدود.

5 التنفيذ والنتائج

5.1 التطبيق العملي

يقدم البحث تطبيقاً عملياً باستخدام AES-256 كتشفير كتل أساسي مع خيارات معاملات محددة:

• تشفير الكتل: AES-256 في نمط CTR
• طول PAN: 16 بايت (تنسيق بطاقة ائتمان قياسي)
• طول الرمز: 16 بايت (حافظ على التنسيق)
• الإدخال الإضافي: 8 بايت للطابع الزمني أو معرف المعاملة

5.2 تحليل الأداء

تُظهر النتائج التجريبية كفاءة الخوارزمية في السيناريوهات العملية:

يحافظ التنفيذ على أداء متسق مع توفير ضمانات أمان قوية، مما يجعله مناسباً لبيئات معالجة الدفع عالية الحجم.

6 التحليل الأصلي

7 التطبيقات المستقبلية

يحتاج نهج التشفير الهجين القابل للعكس إمكانات كبيرة تتجاوز بيانات بطاقات الدفع:

• حماية بيانات الرعاية الصحية: تشفير آمن لمُعرِّفات المرضى في السجلات الصحية الإلكترونية
• إدارة الهوية: تشفير يحافظ على الخصوصية للمُعرِّفات الصادرة عن الحكومة
• أمان إنترنت الأشياء: تشفير خفيف الوزن للأجهزة محدودة الموارد في شبكات إنترنت الأشياء
• تطبيقات البلوك تشين: تشفير خارج السلسلة للبيانات الحساسة على السلسلة
• نقل البيانات عبر الحدود: الامتثال لقوانين توطين البيانات مع الحفاظ على الوظائف

تشمل اتجاهات البحث المستقبلية:

• خوارزميات تشفير مقاومة للكم
• حساب متعدد الأطراف للتشفير الموزع
• التحقق الرسمي من أنظمة التشفير بأكملها
• التكامل مع التشفير المتجانس للمعالجة على البيانات المشفرة

8 المراجع

1. Longo, R., Aragona, R., & Sala, M. (2017). Several Proofs of Security for a Tokenization Algorithm. arXiv:1609.00151v3
2. PCI Security Standards Council. (2016). PCI DSS Tokenization Guidelines. Version 1.1
3. Zhu, J. Y., Park, T., Isola, P., & Efros, A. A. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. IEEE International Conference on Computer Vision
4. NIST. (2020). Special Publication 800-57: Recommendation for Key Management
5. Bellare, M., & Rogaway, P. (2005). Introduction to Modern Cryptography. UCSD CSE
6. IEEE Security & Privacy. (2021). Formal Methods in Payment Security. Volume 19, Issue 3
7. ACM Computing Surveys. (2022). Cloud Security Architectures for Financial Systems. Volume 55, Issue 4