Sicherheitsbeweise für einen reversiblen hybriden Tokenisierungsalgorithmus

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

Der Schutz von Kreditkartendaten ist zunehmend kritisch geworden, da digitale Zahlungen Finanztransaktionen dominieren. Der Payment Card Industry Security Standard Council (PCI SSC) hat durch PCI DSS strenge Standards zum Schutz von Karteninhaberdaten etabliert. Tokenisierung stellt eine grundlegende Technologie dar, die sensible Primäre Kontonummern (PANs) durch nicht-sensible Tokens ersetzt, wodurch das Risiko von Datenschutzverletzungen reduziert wird, während die operative Funktionalität erhalten bleibt.

Dieses Papier behandelt die Sicherheitsherausforderungen in reversiblen Tokenisierungssystemen, mit besonderem Fokus auf den hybriden Ansatz, der kryptografische Techniken mit Nachschlageverfahren kombiniert. Die zunehmende Verbreitung von Tokenisierung bei Zahlungsabwicklern, E-Commerce-Plattformen und Finanzinstituten unterstreicht die Bedeutung von nachweisbar sicheren Implementierungen.

2 PCI DSS Tokenisierungsanforderungen

2.1 Analyse der Sicherheitsanforderungen

Die PCI DSS-Richtlinien spezifizieren umfassende Sicherheitsanforderungen für Tokenisierungslösungen, mit Fokus auf Irreversibilität, Einzigartigkeit und Vertraulichkeit. Wichtige Anforderungen umfassen:

• Unmöglichkeit, PAN aus Token ohne Autorisierung wiederherzustellen
• Verhinderung kryptografischer Angriffe durch starke Algorithmen
• Sichere Schlüsselverwaltungs- und Speicherverfahren
• Prüfpfade und Zugriffskontrollen für Tokenisierungssysteme

2.2 Token-Klassifizierung

PCI DSS kategorisiert Tokens basierend auf ihren Eigenschaften und Implementierungsmethoden in fünf verschiedene Typen:

• Authentifizierbare irreversible Tokens: Können nicht rückgängig gemacht werden, können aber verifiziert werden
• Nicht-authentifizierbare irreversible Tokens: Vollständig irreversibel ohne Verifizierungsfähigkeit
• Reversible kryptografische Tokens: Mathematische Beziehung mit PAN unter Verwendung von Kryptografie
• Reversible nicht-kryptografische Tokens: PAN-Wiederherstellung nur durch sichere Nachschlagetabellen
• Reversible hybride Tokens: Kombination aus kryptografischen und Nachschlageverfahren

3 Vorgeschlagener Tokenisierungsalgorithmus

3.1 Algorithmus-Design

Der vorgeschlagene reversible hybride Tokenisierungsalgorithmus verwendet eine Blockchiffre als kryptografische Grundlage, erweitert um zusätzliche Eingabeparameter, die öffentlich sein können. Das Design integriert sowohl mathematische Transformationen als auch sichere Speicherelemente, um die hybriden Eigenschaften zu erreichen.

3.2 Mathematische Formulierung

Die Kern-Tokenisierungsfunktion kann dargestellt werden als:

$Token = E_K(PAN \oplus Zusatzeingabe) \oplus Maske$

Wobei:

• $E_K$ die Blockchiffren-Verschlüsselung mit geheimen Schlüssel $K$ repräsentiert
• $PAN$ die Primäre Kontonummer ist
• $Zusatzeingabe$ optionale öffentliche Parameter repräsentiert
• $Maske$ zusätzliche Sicherheit durch Maskierungsoperationen bietet

function generiereToken(pan, schluessel, zusatzeingabe):
    # Vorverarbeitungsphase
    verarbeiteterPAN = vorverarbeite(pan)
    
    # Kryptografische Transformation
    zwischenwert = blockchiffre.verschluessele(xor(verarbeiteterPAN, zusatzeingabe), schluessel)
    
    # Nachverarbeitung und Maskierung
    token = xor(zwischenwert, generiereMaske(schluessel, zusatzeingabe))
    
    # Speichere Zuordnung im sicheren Tresor falls erforderlich
    if hybrid_modus:
        sichererTresor.speichereZuordnung(token, pan)
    
    return token

function stellePANwiederher(token, schluessel, zusatzeingabe):
    # Kehre die Transformation um
    zwischenwert = xor(token, generiereMaske(schluessel, zusatzeingabe))
    
    # Kryptografische Rücktransformation
    verarbeiteterPAN = xor(blockchiffre.entschluessele(zwischenwert, schluessel), zusatzeingabe)
    
    # Für Hybridmodus, verifiziere mit sicherem Tresor
    if hybrid_modus:
        pan = sichererTresor.ermittlePAN(token)
        if pan != nachverarbeite(verarbeiteterPAN):
            raise Sicherheitsfehler("Token-PAN-Zuordnungsfehler")
    
    return nachverarbeite(verarbeiteterPAN)

4 Sicherheitsbeweise

4.1 IND-CPA-Sicherheitsmodell

Das Sicherheitsmodell der Unterscheidbarkeit unter gewähltem Klartextangriff (IND-CPA) bietet einen rigorosen Rahmen zur Analyse des vorgeschlagenen Tokenisierungsalgorithmus. In diesem Modell kann ein Angreifer nicht zwischen Tokens unterscheiden, die von verschiedenen PANs generiert wurden, selbst wenn er Klartexte zur Tokenisierung wählen darf.

Der Sicherheitsbeweis stellt fest, dass wenn die zugrunde liegende Blockchiffre sicher ist, dann behält das Tokenisierungsschema IND-CPA-Sicherheit. Der Beweis verwendet standardmäßige kryptografische Reduktionstechniken und demonstriert, dass jeder erfolgreiche Angriff auf das Tokenisierungsschema verwendet werden könnte, um die Sicherheit der Blockchiffre zu brechen.

4.2 Formale Sicherheitsbeweise

Das Papier bietet mehrere formale Sicherheitsbeweise, die verschiedene Angriffsszenarien behandeln:

• Theorem 1: IND-CPA-Sicherheit unter Standardmodell-Annahmen
• Theorem 2: Widerstandsfähigkeit gegen Kollisionsangriffe im Token-Raum
• Theorem 3: Sicherheit gegen Schlüsselwiederherstellungsangriffe
• Theorem 4: Erhaltung format-erhaltender Eigenschaften

Die Sicherheitsbeweise nutzen das Konzept pseudozufälliger Funktionen (PRFs) und stellen fest, dass die Tokenisierungsfunktion für jeden probabilistischen Polynomialzeit-Angreifer rechnerisch nicht von einer Zufallsfunktion unterscheidbar ist.

5 Implementierung und Ergebnisse

5.1 Konkrete Instanziierung

Das Papier präsentiert eine konkrete Implementierung unter Verwendung von AES-256 als zugrunde liegende Blockchiffre mit spezifischen Parameterwahlen:

• Blockchiffre: AES-256 im CTR-Modus
• PAN-Länge: 16 Bytes (Standard-Kreditkartenformat)
• Token-Länge: 16 Bytes (format-erhaltend)
• Zusatzeingabe: 8-Byte Zeitstempel oder Transaktions-ID

5.2 Leistungsanalyse

Experimentelle Ergebnisse demonstrieren die Effizienz des Algorithmus in praktischen Szenarien:

Die Implementierung behält konsistente Leistung bei, während sie starke Sicherheitsgarantien bietet, was sie für Umgebungen mit hohem Zahlungsverkehr geeignet macht.

6 Originalanalyse

7 Zukünftige Anwendungen

Der reversible hybride Tokenisierungsansatz hat bedeutendes Potenzial über Zahlungskartendaten hinaus:

• Healthcare-Datenschutz: Sichere Tokenisierung von Patientenidentifikatoren in elektronischen Gesundheitsakten
• Identitätsmanagement: Datenschutzbewahrende Tokenisierung von staatlich ausgestellten Identifikatoren
• IoT-Sicherheit: Leichtgewichtige Tokenisierung für ressourcenbeschränkte Geräte in IoT-Netzwerken
• Blockchain-Anwendungen: Off-Chain-Tokenisierung sensibler On-Chain-Daten
• Grenzüberschreitender Datentransfer: Einhaltung von Datenlokalisierungsgesetzen bei Aufrechterhaltung der Funktionalität

Zukünftige Forschungsrichtungen umfassen:

• Quantenresistente Tokenisierungsalgorithmen
• Mehrparteienberechnung für verteilte Tokenisierung
• Formale Verifikation gesamter Tokenisierungssysteme
• Integration mit homomorpher Verschlüsselung für Verarbeitung tokenisierter Daten

8 Referenzen

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