برهان‌های امنیتی برای یک الگوریتم توکن‌سازی ترکیبی برگشت‌پذیر

فهرست مطالب

1 مقدمه

حفاظت از داده‌های کارت اعتباری با تسلط پرداخت‌های دیجیتال بر تراکنش‌های مالی، به طور فزاینده‌ای حیاتی شده است. شورای استانداردهای امنیتی صنعت کارت پرداخت (PCI SSC) از طریق PCI DSS استانداردهای سختگیرانه‌ای برای حفاظت از اطلاعات دارنده کارت ایجاد کرده است. توکن‌سازی به عنوان یک فناوری اساسی مطرح شده که شماره‌های حساب اولیه (PAN) حساس را با توکن‌های غیرحساس جایگزین می‌کند و در عین حفظ عملکرد عملیاتی، خطر نقض داده‌ها را کاهش می‌دهد.

این مقاله به چالش‌های امنیتی در سیستم‌های توکن‌سازی برگشت‌پذیر می‌پردازد و به طور خاص بر رویکرد ترکیبی که تکنیک‌های رمزنگاری را با مکانیزم‌های جستجو ترکیب می‌کند، تمرکز دارد. استقبال روزافزون از توکن‌سازی در پردازنده‌های پرداخت، پلتفرم‌های تجارت الکترونیک و مؤسسات مالی، اهمیت پیاده‌سازی‌های با امنیت اثبات‌شده را برجسته می‌سازد.

2 الزامات توکن‌سازی PCI DSS

2.1 تحلیل الزامات امنیتی

راهنمای PCI DSS الزامات امنیتی جامعی برای راه‌حل‌های توکن‌سازی مشخص می‌کند که بر غیرقابل برگشت بودن، یکتایی و محرمانگی تمرکز دارد. الزامات کلیدی شامل موارد زیر است:

• عدم امکان بازیابی PAN از توکن بدون مجوز
• جلوگیری از حملات رمزنگاری از طریق الگوریتم‌های قوی
• روش‌های مدیریت و ذخیره‌سازی امن کلید
• ردیابی حسابرسی و کنترل‌های دسترسی برای سیستم‌های توکن‌سازی

2.2 طبقه‌بندی توکن‌ها

PCI DSS توکن‌ها را بر اساس ویژگی‌ها و روش‌های پیاده‌سازی به پنج نوع متمایز دسته‌بندی می‌کند:

• توکن‌های غیرقابل برگشت قابل احراز هویت: قابل برگشت نیستند اما قابل تأیید هستند
• توکن‌های غیرقابل برگشت غیرقابل احراز هویت: کاملاً غیرقابل برگشت بدون قابلیت تأیید
• توکن‌های رمزنگاری برگشت‌پذیر: رابطه ریاضی با PAN با استفاده از رمزنگاری
• توکن‌های غیررمزنگاری برگشت‌پذیر: بازیابی PAN فقط از طریق جداول جستجوی امن
• توکن‌های ترکیبی برگشت‌پذیر: ترکیبی از مکانیزم‌های رمزنگاری و جستجو

3 الگوریتم توکن‌سازی پیشنهادی

3.1 طراحی الگوریتم

الگوریتم توکن‌سازی ترکیبی برگشت‌پذیر پیشنهادی از یک رمز بلوکی به عنوان پایه رمزنگاری خود استفاده می‌کند که با پارامترهای ورودی اضافی که ممکن است عمومی باشند، تقویت شده است. این طراحی هم تبدیل‌های ریاضی و هم عناصر ذخیره‌سازی امن را برای دستیابی به ویژگی‌های ترکیبی دربرمی‌گیرد.

3.2 فرمول‌بندی ریاضی

تابع اصلی توکن‌سازی را می‌توان به صورت زیر نمایش داد:

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

جایی که:

• $E_K$ نشان‌دهنده رمزگذاری رمز بلوکی با کلید مخفی $K$ است
• $PAN$ شماره حساب اولیه است
• $AdditionalInput$ نشان‌دهنده پارامترهای عمومی اختیاری است
• $Mask$ امنیت اضافی از طریق عملیات پوشاندن فراهم می‌کند

function generateToken(pan, key, additionalInput):
    # فاز پیش‌پردازش
    processedPAN = preprocess(pan)
    
    # تبدیل رمزنگاری
    intermediate = blockCipher.encrypt(xor(processedPAN, additionalInput), key)
    
    # پس‌پردازش و پوشاندن
    token = xor(intermediate, generateMask(key, additionalInput))
    
    # ذخیره نگاشت در مخزن امن در صورت نیاز
    if hybrid_mode:
        secureVault.storeMapping(token, pan)
    
    return token

function recoverPAN(token, key, additionalInput):
    # معکوس کردن تبدیل
    intermediate = xor(token, generateMask(key, additionalInput))
    
    # معکوس رمزنگاری
    processedPAN = xor(blockCipher.decrypt(intermediate, key), additionalInput)
    
    # برای حالت ترکیبی، تأیید با مخزن امن
    if hybrid_mode:
        pan = secureVault.retrievePAN(token)
        if pan != postprocess(processedPAN):
            raise SecurityError("عدم تطابق نگاشت توکن-PAN")
    
    return postprocess(processedPAN)

4 برهان‌های امنیتی

4.1 مدل امنیتی IND-CPA

مدل امنیتی عدم تمایز تحت حمله متن‌ساده انتخابی (IND-CPA) یک چارچوب دقیق برای تحلیل الگوریتم توکن‌سازی پیشنهادی فراهم می‌کند. در این مدل، یک مهاجم نمی‌تواند بین توکن‌های تولید شده از PANهای مختلف تمایز قائل شود، حتی زمانی که اجازه دارد متن‌های ساده را برای توکن‌سازی انتخاب کند.

برهان امنیتی ثابت می‌کند که اگر رمز بلوکی پایه امن باشد، آنگاه طرح توکن‌سازی امنیت IND-CPA را حفظ می‌کند. این برهان از تکنیک‌های کاهش رمزنگاری استاندارد استفاده می‌کند و نشان می‌دهد که هر حمله موفقیت‌آمیز بر روی طرح توکن‌سازی می‌تواند برای شکستن امنیت رمز بلوکی استفاده شود.

4.2 برهان‌های امنیتی رسمی

این مقاله چندین برهان امنیتی رسمی ارائه می‌دهد که سناریوهای حمله مختلف را مورد توجه قرار می‌دهند:

• قضیه 1: امنیت IND-CPA تحت فرضیات مدل استاندارد
• قضیه 2: مقاومت در برابر حملات برخورد در فضای توکن
• قضیه 3: امنیت در برابر حملات بازیابی کلید
• قضیه 4: حفظ ویژگی‌های حفظ‌کننده قالب

برهان‌های امنیتی از مفهوم توابع شبهتصادفی (PRFs) بهره می‌برند و ثابت می‌کنند که تابع توکن‌سازی از نظر محاسباتی از یک تابع تصادفی برای هر مهاجم زمان-چندجمله‌ای احتمالی غیرقابل تمایز است.

5 پیاده‌سازی و نتایج

5.1 نمونه‌سازی عینی

مقاله یک پیاده‌سازی عینی با استفاده از AES-256 به عنوان رمز بلوکی پایه با انتخاب‌های پارامتر خاص ارائه می‌دهد:

• رمز بلوکی: AES-256 در حالت CTR
• طول PAN: 16 بایت (قالب استاندارد کارت اعتباری)
• طول توکن: 16 بایت (حفظ‌کننده قالب)
• ورودی اضافی: 8 بایت timestamp یا شناسه تراکنش

5.2 تحلیل عملکرد

نتایج تجربی کارایی الگوریتم را در سناریوهای عملی نشان می‌دهد:

این پیاده‌سازی در حالی که تضمین‌های امنیتی قوی ارائه می‌دهد، عملکرد یکنواختی را حفظ می‌کند و آن را برای محیط‌های پردازش پرداخت با حجم بالا مناسب می‌سازد.

6 تحلیل اصلی

7 کاربردهای آینده

رویکرد توکن‌سازی ترکیبی برگشت‌پذیر پتانسیل قابل توجهی فراتر از داده‌های کارت پرداخت دارد:

• حفاظت از داده‌های بهداشتی: توکن‌سازی امن شناسه‌های بیمار در سوابق سلامت الکترونیکی
• مدیریت هویت: توکن‌سازی حفظ‌کننده حریم خصوصی شناسه‌های صادر شده توسط دولت
• امنیت اینترنت اشیاء: توکن‌سازی سبک‌وزن برای دستگاه‌های با منابع محدود در شبکه‌های اینترنت اشیاء
• کاربردهای بلاکچین: توکن‌سازی آف-چین داده‌های حساس آن-چین
• انتقال داده‌های فرامرزی: انطباق با قوانین بومی‌سازی داده در حالی که عملکرد حفظ می‌شود

جهت‌های تحقیق آینده شامل موارد زیر است:

• الگوریتم‌های توکن‌سازی مقاوم در برابر کوانتوم
• محاسبات چندجانبه برای توکن‌سازی توزیع شده
• اعتبارسنجی رسمی کل سیستم‌های توکن‌سازی
• یکپارچه‌سازی با رمزگذاری همومورفیک برای پردازش روی داده‌های توکن‌شده

8 مراجع

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