Bukti Keselamatan untuk Algoritma Tokenisasi Hibrid Reversibel

Kandungan

1 Pengenalan

Perlindungan data kad kredit semakin kritikal apabila pembayaran digital mendominasi urus niaga kewangan. Majlis Piawaian Keselamatan Industri Kad Pembayaran (PCI SSC) menetapkan piawaian ketat melalui PCI DSS untuk melindungi maklumat pemegang kad. Tokenisasi muncul sebagai teknologi asas yang menggantikan Nombor Akaun Utama (PAN) sensitif dengan token tidak sensitif, mengurangkan risiko pelanggaran data sambil mengekalkan fungsi operasi.

Kertas kerja ini menangani cabaran keselamatan dalam sistem tokenisasi reversibel, terutamanya memberi tumpuan kepada pendekatan hibrid yang menggabungkan teknik kriptografi dengan mekanisme carian. Penerimaan tokenisasi yang semakin meluas di kalangan pemproses pembayaran, platform e-dagang, dan institusi kewangan menekankan kepentingan pelaksanaan yang terbukti selamat.

2 Keperluan Tokenisasi PCI DSS

2.1 Analisis Keperluan Keselamatan

Garis panduan PCI DSS menyatakan keperluan keselamatan komprehensif untuk penyelesaian tokenisasi, memberi tumpuan kepada ketidakreversibelan, keunikan, dan kerahsiaan. Keperluan utama termasuk:

• Ketidakmampuan untuk memulihkan PAN daripada token tanpa kebenaran
• Pencegahan serangan kriptografi melalui algoritma yang kuat
• Prosedur pengurusan dan penyimpanan kunci yang selamat
• Jejak audit dan kawalan akses untuk sistem tokenisasi

2.2 Klasifikasi Token

PCI DSS mengkategorikan token kepada lima jenis berbeza berdasarkan sifat dan kaedah pelaksanaannya:

• Token Tidak Reversibel yang Boleh Disahkan: Tidak boleh diterbalikkan tetapi boleh disahkan
• Token Tidak Reversibel yang Tidak Boleh Disahkan: Sepenuhnya tidak reversibel tanpa keupayaan pengesahan
• Token Kriptografi Reversibel: Hubungan matematik dengan PAN menggunakan kriptografi
• Token Bukan Kriptografi Reversibel: Pemulihan PAN hanya melalui jadual carian selamat
• Token Hibrid Reversibel: Gabungan mekanisme kriptografi dan carian

3 Algoritma Tokenisasi yang Dicadangkan

3.1 Reka Bentuk Algoritma

Algoritma tokenisasi hibrid reversibel yang dicadangkan menggunakan blok cipher sebagai asas kriptografinya, ditambah dengan parameter input tambahan yang mungkin awam. Reka bentuk ini menggabungkan kedua-dua transformasi matematik dan elemen penyimpanan selamat untuk mencapai ciri-ciri hibrid.

3.2 Formulasi Matematik

Fungsi tokenisasi teras boleh diwakili sebagai:

$Token = E_K(PAN \oplus InputTambahan) \oplus Topeng$

Di mana:

• $E_K$ mewakili penyulitan blok cipher dengan kunci rahsia $K$
• $PAN$ ialah Nombor Akaun Utama
• $InputTambahan$ mewakili parameter awam pilihan
• $Topeng$ menyediakan keselamatan tambahan melalui operasi topeng

function generateToken(pan, key, additionalInput):
    # Fasa pra-pemprosesan
    processedPAN = preprocess(pan)
    
    # Transformasi kriptografi
    intermediate = blockCipher.encrypt(xor(processedPAN, additionalInput), key)
    
    # Pasca-pemprosesan dan penutupan
    token = xor(intermediate, generateMask(key, additionalInput))
    
    # Simpan pemetaan dalam peti besi selamat jika diperlukan
    if hybrid_mode:
        secureVault.storeMapping(token, pan)
    
    return token

function recoverPAN(token, key, additionalInput):
    # Balikkan transformasi
    intermediate = xor(token, generateMask(key, additionalInput))
    
    # Pembalikan kriptografi
    processedPAN = xor(blockCipher.decrypt(intermediate, key), additionalInput)
    
    # Untuk mod hibrid, sahkan dengan peti besi selamat
    if hybrid_mode:
        pan = secureVault.retrievePAN(token)
        if pan != postprocess(processedPAN):
            raise SecurityError("Ketidaksesuaian pemetaan Token-PAN")
    
    return postprocess(processedPAN)

4 Bukti Keselamatan

4.1 Model Keselamatan IND-CPA

Model keselamatan Ketidakbolehtentuan di Bawah Serangan Teks Terang Terpilih (IND-CPA) menyediakan rangka kerja yang ketat untuk menganalisis algoritma tokenisasi yang dicadangkan. Dalam model ini, penyerang tidak dapat membezakan antara token yang dihasilkan daripada PAN berbeza, walaupun dibenarkan memilih teks terang untuk tokenisasi.

Bukti keselamatan menetapkan bahawa jika blok cipher asas selamat, maka skim tokenisasi mengekalkan keselamatan IND-CPA. Bukti ini menggunakan teknik penurunan kriptografi standard, menunjukkan bahawa sebarang serangan berjaya pada skim tokenisasi boleh digunakan untuk memecahkan keselamatan blok cipher.

4.2 Bukti Keselamatan Formal

Kertas kerja ini menyediakan pelbagai bukti keselamatan formal yang menangani senario serangan berbeza:

• Teorem 1: Keselamatan IND-CPA di bawah andaian model standard
• Teorem 2: Rintangan terhadap serangan perlanggaran dalam ruang token
• Teorem 3: Keselamatan terhadap serangan pemulihan kunci
• Teorem 4: Pemeliharaan sifat pemeliharaan format

Bukti keselamatan memanfaatkan konsep fungsi rawak semu (PRF) dan menetapkan bahawa fungsi tokenisasi tidak dapat dibezakan secara pengiraan daripada fungsi rawak untuk sebarang penyerang masa polinomial kebarangkalian.

5 Pelaksanaan dan Keputusan

5.1 Instansiasi Konkrit

Kertas kerja ini membentangkan pelaksanaan konkrit menggunakan AES-256 sebagai blok cipher asas dengan pilihan parameter khusus:

• Blok cipher: AES-256 dalam mod CTR
• Panjang PAN: 16 bait (format kad kredit standard)
• Panjang token: 16 bait (pemeliharaan format)
• Input tambahan: cap masa 8-bait atau ID transaksi

5.2 Analisis Prestasi

Keputusan eksperimen menunjukkan kecekapan algoritma dalam senario praktikal:

Pelaksanaan mengekalkan prestasi konsisten sambil memberikan jaminan keselamatan yang kukuh, menjadikannya sesuai untuk persekitaran pemprosesan pembayaran volum tinggi.

6 Analisis Asal

7 Aplikasi Masa Depan

Pendekatan tokenisasi hibrid reversibel mempunyai potensi signifikan di luar data kad pembayaran:

• Perlindungan Data Penjagaan Kesihatan: Tokenisasi selamat pengecam pesakit dalam rekod kesihatan elektronik
• Pengurusan Identiti: Tokenisasi pemeliharaan privasi pengecam yang dikeluarkan kerajaan
• Keselamatan IoT: Tokenisasi ringan untuk peranti terhad sumber dalam rangkaian IoT
• Aplikasi Blockchain: Tokenisasi luar rantai data pada rantai sensitif
• Pemindahan Data Rentas Sempadan: Pematuhan undang-undang penyetempatan data sambil mengekalkan fungsi

Arah penyelidikan masa depan termasuk:

• Algoritma tokenisasi rintang kuantum
• Pengiraan pelbagai pihak untuk tokenisasi teragih
• Pengesahan formal keseluruhan sistem tokenisasi
• Integrasi dengan penyulitan homomorfik untuk pemprosesan data token

8 Rujukan

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