एक प्रतिवर्ती हाइब्रिड टोकनन एल्गोरिदम के लिए सुरक्षा प्रमाण

विषय सूची

1 परिचय

डिजिटल भुगतान के वित्तीय लेनदेन में हावी होने के साथ, क्रेडिट कार्ड डेटा सुरक्षा अत्यंत महत्वपूर्ण हो गई है। पेमेंट कार्ड इंडस्ट्री सिक्योरिटी स्टैंडर्ड काउंसिल (PCI SSC) ने कार्डधारक जानकारी को सुरक्षित रखने के लिए PCI DSS के माध्यम से कठोर मानक स्थापित किए हैं। टोकनन एक मौलिक प्रौद्योगिकी के रूप में उभरा है जो संवेदनशील प्राथमिक खाता संख्याओं (PANs) को गैर-संवेदनशील टोकन से प्रतिस्थापित करता है, जिससे डेटा उल्लंघन का जोखिम कम होता है और परिचालन कार्यक्षमता बनी रहती है।

यह शोध पत्र प्रतिवर्ती टोकनन प्रणालियों में सुरक्षा चुनौतियों को संबोधित करता है, विशेष रूप से हाइब्रिड दृष्टिकोण पर ध्यान केंद्रित करता है जो क्रिप्टोग्राफिक तकनीकों को लुकअप तंत्र के साथ जोड़ता है। भुगतान प्रोसेसर, ई-कॉमर्स प्लेटफॉर्म और वित्तीय संस्थानों में टोकनन के बढ़ते उपयोग से सिद्ध रूप से सुरक्षित कार्यान्वयन के महत्व पर प्रकाश डाला गया है।

2 PCI DSS टोकनन आवश्यकताएँ

2.1 सुरक्षा आवश्यकताएँ विश्लेषण

PCI DSS दिशानिर्देश टोकनन समाधानों के लिए व्यापक सुरक्षा आवश्यकताएँ निर्दिष्ट करते हैं, जो अपरिवर्तनीयता, विशिष्टता और गोपनीयता पर केंद्रित हैं। प्रमुख आवश्यकताओं में शामिल हैं:

• बिना प्राधिकरण के टोकन से PAN पुनर्प्राप्त करने की असंभवता
• मजबूत एल्गोरिदम के माध्यम से क्रिप्टोग्राफिक हमलों की रोकथाम
• सुरक्षित कुंजी प्रबंधन और भंडारण प्रक्रियाएँ
• टोकनन प्रणालियों के लिए ऑडिट ट्रेल और पहुंच नियंत्रण

2.2 टोकन वर्गीकरण

PCI DSS टोकन को उनके गुणों और कार्यान्वयन विधियों के आधार पर पाँच अलग-अलग प्रकारों में वर्गीकृत करता है:

• प्रमाणीकरण योग्य अपरिवर्तनीय टोकन: उलटे नहीं जा सकते लेकिन सत्यापित किए जा सकते हैं
• गैर-प्रमाणीकरण योग्य अपरिवर्तनीय टोकन: पूरी तरह से अपरिवर्तनीय बिना सत्यापन क्षमता के
• प्रतिवर्ती क्रिप्टोग्राफिक टोकन: क्रिप्टोग्राफी का उपयोग करके PAN के साथ गणितीय संबंध
• प्रतिवर्ती गैर-क्रिप्टोग्राफिक टोकन: केवल सुरक्षित लुकअप टेबल के माध्यम से PAN पुनर्प्राप्ति
• प्रतिवर्ती हाइब्रिड टोकन: क्रिप्टोग्राफिक और लुकअप तंत्र का संयोजन

3 प्रस्तावित टोकनन एल्गोरिदम

3.1 एल्गोरिदम डिजाइन

प्रस्तावित प्रतिवर्ती हाइब्रिड टोकनन एल्गोरिदम एक ब्लॉक सिफर को अपनी क्रिप्टोग्राफिक नींव के रूप में नियोजित करता है, जिसे अतिरिक्त इनपुट पैरामीटरों के साथ संवर्धित किया गया है जो सार्वजनिक हो सकते हैं। डिजाइन में हाइब्रिड विशेषताओं को प्राप्त करने के लिए गणितीय परिवर्तन और सुरक्षित भंडारण तत्व दोनों शामिल हैं।

3.2 गणितीय सूत्रीकरण

मुख्य टोकनन फ़ंक्शन को इस प्रकार दर्शाया जा सकता है:

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

जहाँ:

• $E_K$ गुप्त कुंजी $K$ के साथ ब्लॉक सिफर एन्क्रिप्शन का प्रतिनिधित्व करता है
• $PAN$ प्राथमिक खाता संख्या है
• $AdditionalInput$ वैकल्पिक सार्वजनिक पैरामीटर का प्रतिनिधित्व करता है
• $Mask$ मास्किंग ऑपरेशन के माध्यम से अतिरिक्त सुरक्षा प्रदान करता है

function generateToken(pan, key, additionalInput):
    # प्री-प्रोसेसिंग चरण
    processedPAN = preprocess(pan)
    
    # क्रिप्टोग्राफिक परिवर्तन
    intermediate = blockCipher.encrypt(xor(processedPAN, additionalInput), key)
    
    # पोस्ट-प्रोसेसिंग और मास्किंग
    token = xor(intermediate, generateMask(key, additionalInput))
    
    # यदि आवश्यक हो तो सुरक्षित वॉल्ट में मैपिंग संग्रहीत करें
    if hybrid_mode:
        secureVault.storeMapping(token, pan)
    
    return token

function recoverPAN(token, key, additionalInput):
    # परिवर्तन को उलटें
    intermediate = xor(token, generateMask(key, additionalInput))
    
    # क्रिप्टोग्राफिक उत्क्रमण
    processedPAN = xor(blockCipher.decrypt(intermediate, key), additionalInput)
    
    # हाइब्रिड मोड के लिए, सुरक्षित वॉल्ट के साथ सत्यापित करें
    if hybrid_mode:
        pan = secureVault.retrievePAN(token)
        if pan != postprocess(processedPAN):
            raise SecurityError("टोकन-PAN मैपिंग बेमेल")
    
    return postprocess(processedPAN)

4 सुरक्षा प्रमाण

4.1 IND-CPA सुरक्षा मॉडल

चुने हुए सादे पाठ हमले के तहत अविवेच्यता (IND-CPA) सुरक्षा मॉडल प्रस्तावित टोकनन एल्गोरिदम के विश्लेषण के लिए एक कठोर ढांचा प्रदान करता है। इस मॉडल में, एक विरोधी विभिन्न PANs से उत्पन्न टोकन के बीच अंतर नहीं कर सकता है, भले ही उसे टोकनन के लिए सादे पाठ चुनने की अनुमति दी गई हो।

सुरक्षा प्रमाण स्थापित करता है कि यदि अंतर्निहित ब्लॉक सिफर सुरक्षित है, तो टोकनन योजना IND-CPA सुरक्षा बनाए रखती है। प्रमाण मानक क्रिप्टोग्राफिक न्यूनीकरण तकनीकों का उपयोग करता है, यह प्रदर्शित करते हुए कि टोकनन योजना पर कोई भी सफल हमला ब्लॉक सिफर की सुरक्षा को तोड़ने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।

4.2 औपचारिक सुरक्षा प्रमाण

यह शोध पत्र विभिन्न हमले के परिदृश्यों को संबोधित करते हुए कई औपचारिक सुरक्षा प्रमाण प्रदान करता है:

• प्रमेय 1: मानक मॉडल धारणाओं के तहत IND-CPA सुरक्षा
• प्रमेय 2: टोकन स्थान में टकराव हमलों के प्रति प्रतिरोध
• प्रमेय 3: कुंजी पुनर्प्राप्ति हमलों के विरुद्ध सुरक्षा
• प्रमेय 4: प्रारूप-संरक्षण गुणों का संरक्षण

सुरक्षा प्रमाण स्यूडोरैंडम फ़ंक्शन (PRFs) की अवधारणा का लाभ उठाते हैं और यह स्थापित करते हैं कि टोकनन फ़ंक्शन किसी भी संभाव्य बहुपद-समय विरोधी के लिए एक यादृच्छिक फ़ंक्शन से गणनात्मक रूप से अविवेच्य है।

5 कार्यान्वयन और परिणाम

5.1 ठोस उदाहरण

यह शोध पत्र विशिष्ट पैरामीटर विकल्पों के साथ अंतर्निहित ब्लॉक सिफर के रूप में AES-256 का उपयोग करके एक ठोस कार्यान्वयन प्रस्तुत करता है:

• ब्लॉक सिफर: CTR मोड में AES-256
• PAN लंबाई: 16 बाइट्स (मानक क्रेडिट कार्ड प्रारूप)
• टोकन लंबाई: 16 बाइट्स (प्रारूप-संरक्षण)
• अतिरिक्त इनपुट: 8-बाइट टाइमस्टैम्प या लेनदेन आईडी

5.2 प्रदर्शन विश्लेषण

प्रयोगात्मक परिणाम व्यावहारिक परिदृश्यों में एल्गोरिदम की दक्षता प्रदर्शित करते हैं:

कार्यान्वयन मजबूत सुरक्षा गारंटी प्रदान करते हुए सुसंगत प्रदर्शन बनाए रखता है, जिससे यह उच्च-मात्रा वाले भुगतान प्रसंस्करण वातावरण के लिए उपयुक्त है।

6 मूल विश्लेषण

7 भविष्य के अनुप्रयोग

प्रतिवर्ती हाइब्रिड टोकनन दृष्टिकोण में भुगतान कार्ड डेटा से परे महत्वपूर्ण क्षमता है:

• स्वास्थ्य देखभाल डेटा संरक्षण: इलेक्ट्रॉनिक स्वास्थ्य रिकॉर्ड में रोगी पहचानकर्ताओं का सुरक्षित टोकनन
• पहचान प्रबंधन: सरकारी जारी पहचानकर्ताओं का गोपनीयता-संरक्षण टोकनन
• IoT सुरक्षा: IoT नेटवर्क में संसाधन-सीमित उपकरणों के लिए हल्का टोकनन
• ब्लॉकचेन अनुप्रयोग: संवेदनशील ऑन-चेन डेटा का ऑफ-चेन टोकनन
• सीमा पार डेटा स्थानांतरण: कार्यक्षमता बनाए रखते हुए डेटा स्थानीयकरण कानूनों का अनुपालन

भविष्य के शोध दिशाओं में शामिल हैं:

• क्वांटम-प्रतिरोधी टोकनन एल्गोरिदम
• वितरित टोकनन के लिए बहु-पक्षीय गणना
• संपूर्ण टोकनन प्रणालियों का औपचारिक सत्यापन
• टोकनन डेटा पर प्रसंस्करण के लिए होमोमोर्फिक एन्क्रिप्शन के साथ एकीकरण

8 संदर्भ

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