Provas de Segurança para um Algoritmo Híbrido Reversível de Tokenização

Índice

1 Introdução

A proteção de dados de cartão de crédito tornou-se cada vez mais crítica à medida que os pagamentos digitais dominam as transações financeiras. O PCI Security Standards Council (PCI SSC) estabeleceu padrões rigorosos através do PCI DSS para salvaguardar as informações do titular do cartão. A tokenização surge como uma tecnologia fundamental que substitui Números de Conta Primária (PANs) sensíveis por tokens não sensíveis, reduzindo o risco de violações de dados enquanto mantém a funcionalidade operacional.

Este artigo aborda os desafios de segurança em sistemas de tokenização reversíveis, focando particularmente na abordagem híbrida que combina técnicas criptográficas com mecanismos de pesquisa. A crescente adoção da tokenização em processadores de pagamento, plataformas de comércio eletrónico e instituições financeiras sublinha a importância de implementações comprovadamente seguras.

2 Requisitos de Tokenização do PCI DSS

2.1 Análise de Requisitos de Segurança

As diretrizes do PCI DSS especificam requisitos abrangentes de segurança para soluções de tokenização, focando na irreversibilidade, singularidade e confidencialidade. Os requisitos principais incluem:

• Impossibilidade de recuperar o PAN a partir do token sem autorização
• Prevenção de ataques criptográficos através de algoritmos robustos
• Procedimentos seguros de gestão e armazenamento de chaves
• Trilhas de auditoria e controlos de acesso para sistemas de tokenização

2.2 Classificação de Tokens

O PCI DSS categoriza os tokens em cinco tipos distintos com base nas suas propriedades e métodos de implementação:

• Tokens Irreversíveis Autenticáveis: Não podem ser revertidos, mas podem ser verificados
• Tokens Irreversíveis Não Autenticáveis: Completamente irreversíveis sem capacidade de verificação
• Tokens Criptográficos Reversíveis: Relação matemática com o PAN usando criptografia
• Tokens Não Criptográficos Reversíveis: Recuperação do PAN apenas através de tabelas de pesquisa seguras
• Tokens Híbridos Reversíveis: Combinação de mecanismos criptográficos e de pesquisa

3 Algoritmo de Tokenização Proposto

3.1 Design do Algoritmo

O algoritmo de tokenização híbrido reversível proposto emprega uma cifra de bloco como sua base criptográfica, aumentada com parâmetros de entrada adicionais que podem ser públicos. O design incorpora tanto transformações matemáticas como elementos de armazenamento seguro para alcançar as características híbridas.

3.2 Formulação Matemática

A função principal de tokenização pode ser representada como:

$Token = E_K(PAN \oplus EntradaAdicional) \oplus Mascara$

Onde:

• $E_K$ representa a cifra de cifra de bloco com chave secreta $K$
• $PAN$ é o Número de Conta Primária
• $EntradaAdicional$ representa parâmetros públicos opcionais
• $Mascara$ fornece segurança adicional através de operações de mascaramento

função gerarToken(pan, chave, entradaAdicional):
    # Fase de pré-processamento
    panProcessado = preprocessar(pan)
    
    # Transformação criptográfica
    intermediario = cifraBloco.cifrar(xor(panProcessado, entradaAdicional), chave)
    
    # Pós-processamento e mascaramento
    token = xor(intermediario, gerarMascara(chave, entradaAdicional))
    
    # Armazenar mapeamento em cofre seguro se necessário
    se modo_hibrido:
        cofreSeguro.armazenarMapeamento(token, pan)
    
    retornar token

função recuperarPAN(token, chave, entradaAdicional):
    # Reverter a transformação
    intermediario = xor(token, gerarMascara(chave, entradaAdicional))
    
    # Reversão criptográfica
    panProcessado = xor(cifraBloco.decifrar(intermediario, chave), entradaAdicional)
    
    # Para modo híbrido, verificar com cofre seguro
    se modo_hibrido:
        pan = cofreSeguro.recuperarPAN(token)
        se pan != posprocessar(panProcessado):
            lançar ErroSeguranca("Discrepância no mapeamento Token-PAN")
    
    retornar posprocessar(panProcessado)

4 Provas de Segurança

4.1 Modelo de Segurança IND-CPA

O modelo de segurança de Indistinguibilidade sob Ataque de Texto Limpo Escolhido (IND-CPA) fornece um quadro rigoroso para analisar o algoritmo de tokenização proposto. Neste modelo, um adversário não pode distinguir entre tokens gerados a partir de diferentes PANs, mesmo quando autorizado a escolher textos limpos para tokenização.

A prova de segurança estabelece que, se a cifra de bloco subjacente for segura, então o esquema de tokenização mantém a segurança IND-CPA. A prova emprega técnicas padrão de redução criptográfica, demonstrando que qualquer ataque bem-sucedido ao esquema de tokenização poderia ser usado para quebrar a segurança da cifra de bloco.

4.2 Provas Formais de Segurança

O artigo fornece múltiplas provas formais de segurança abordando diferentes cenários de ataque:

• Teorema 1: Segurança IND-CPA sob pressupostos do modelo padrão
• Teorema 2: Resistência a ataques de colisão no espaço de tokens
• Teorema 3: Segurança contra ataques de recuperação de chave
• Teorema 4: Preservação de propriedades de preservação de formato

As provas de segurança aproveitam o conceito de funções pseudoaleatórias (PRFs) e estabelecem que a função de tokenização é computacionalmente indistinguível de uma função aleatória para qualquer adversário de tempo polinomial probabilístico.

5 Implementação e Resultados

5.1 Instanciação Concreta

O artigo apresenta uma implementação concreta usando AES-256 como a cifra de bloco subjacente com escolhas de parâmetros específicas:

• Cifra de bloco: AES-256 em modo CTR
• Comprimento do PAN: 16 bytes (formato padrão de cartão de crédito)
• Comprimento do token: 16 bytes (preservação de formato)
• Entrada adicional: carimbo de data/hora ou ID de transação de 8 bytes

5.2 Análise de Desempenho

Resultados experimentais demonstram a eficiência do algoritmo em cenários práticos:

A implementação mantém um desempenho consistente enquanto fornece fortes garantias de segurança, tornando-a adequada para ambientes de processamento de pagamentos de alto volume.

6 Análise Original

7 Aplicações Futuras

A abordagem de tokenização híbrida reversível tem potencial significativo para além dos dados de cartão de pagamento:

• Proteção de Dados de Saúde: Tokenização segura de identificadores de pacientes em registos de saúde eletrónicos
• Gestão de Identidade: Tokenização de identificadores emitidos pelo governo que preserva a privacidade
• Segurança IoT: Tokenização leve para dispositivos com recursos limitados em redes IoT
• Aplicações Blockchain: Tokenização off-chain de dados sensíveis on-chain
• Transferência Transfronteiriça de Dados: Conformidade com leis de localização de dados mantendo a funcionalidade

Direções futuras de investigação incluem:

• Algoritmos de tokenização resistentes à computação quântica
• Computação multipartidária para tokenização distribuída
• Verificação formal de sistemas de tokenização completos
• Integração com cifra homomórfica para processamento de dados tokenizados

8 Referências

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