Trabalho de Criptografia Moderna - Catarina Machado a58473, David Silvestre a83938, Leonardo Cantachini a83940, Raquel Nunes a83883 - Universidade do Algarve - 2026

Os cartões de pagamento são, provavelmente, a aplicação de criptografia com que mais pessoas interagem todos os dias, quase sempre sem o saber. Cada vez que se aproxima um cartão de um terminal ou se confirma uma compra na aplicação do banco, decorre uma sequência de operações criptográficas (códigos de autenticação de mensagens, assinaturas digitais, derivação de chaves, cifragem de PINs) que decide, em milissegundos, se o dinheiro pode mudar de mãos.

Este relatório estuda como a criptografia é usada nos cartões de pagamento, com ênfase no padrão EMV (chip e contactless), no tratamento do PIN, na tokenização e nos pagamentos online. Explica-se como a segurança é alcançada, que vantagens traz, que fraquezas e ataques já foram demonstrados e que fatores práticos (regulação, gestão de chaves, compatibilidade, desempenho) condicionam a sua aplicação. A conclusão central é que os ataques mais bem-sucedidos raramente quebram os algoritmos: exploram falhas de protocolo, de implementação, de gestão de chaves ou dos pontos finais do sistema.

Palavras-chave: EMV, MAC, RSA, HSM, tokenização, 3-D Secure.

Os pagamentos eletrónicos substituíram em grande medida o numerário. Em Portugal, o Multibanco, o MB WAY e os cartões de débito e crédito são parte da rotina diária, e a Europa é uma das regiões com maior adoção de pagamentos sem contacto ^[1]. Esta massificação tem uma consequência direta: qualquer fragilidade criptográfica é multiplicada por centenas de milhões de cartões e por milhares de milhões de transações anuais.

Os sistemas de pagamento são infraestrutura crítica. Uma falha sistémica, ou mesmo uma perda de confiança, teria efeitos imediatos no comércio. A fraude com cartões representa um custo muito significativo para bancos, comerciantes e consumidores ^[2].

Os cartões reúnem num só sistema quase todos os temas de uma cadeira de criptografia moderna: cifras simétricas e assimétricas, códigos de autenticação, funções de hash, infraestruturas de chave pública, derivação e gestão de chaves, geração de números aleatórios, módulos de segurança de hardware e resistência a ataques físicos. Mostram também que a criptografia não vive isolada: tem de coexistir com restrições de custo, latência, compatibilidade e regulação.

A história dos cartões é uma sequência de ataques e respostas. A banda magnética, com dados estáticos e facilmente copiáveis, deu lugar ao chip EMV, com autenticação dinâmica ^[3]. O chip, por sua vez, revelou fragilidades de protocolo e de implementação que foram estudadas academicamente ^[4], ^[5], e o crescimento do comércio eletrónico obrigou a novas camadas (3-D Secure ^[6], tokenização ^[7], autenticação forte).

Estão em curso várias transições: da migração do 3DES para o AES ^[8], ^[9], da aplicação da autenticação forte do cliente imposta pela diretiva PSD2 ^[10], da expansão das carteiras móveis e dos pagamentos instantâneos, e a preparação para a criptografia pós-quântica ^[11].

O trabalho concentra-se nos cartões com chip e nos mecanismos associados (PIN, contactless, tokenização, pagamentos online). Não se aborda em detalhe a deteção de fraude baseada em aprendizagem automática nem a criptografia de criptomoedas. O capítulo 2 descreve o ecossistema; o capítulo 3 revê os fundamentos criptográficos; o capítulo 4 detalha o uso da criptografia; o capítulo 5 analisa como a segurança é alcançada; os capítulos 6 e 7 tratam de vantagens e fraquezas; o capítulo 8 aborda as considerações práticas; e o capítulo 9 conclui.

O trabalho assenta numa análise técnica de documentação oficial (especificações da EMVCo ^[3-1]-^[6-1], normas ISO e ANSI ^[12]-^[13], documentos do PCI Security Standards Council ^[14] e do NIST ^[8-1]-^[11-1]) e de literatura académica sobre ataques a sistemas de pagamento ^[4-1]-^[15]. Privilegia-se a compreensão da função de cada mecanismo dentro do sistema, e não apenas a descrição dos comandos trocados, e recorre-se a exemplos reais para tornar os conceitos mais acessíveis. Uma ideia orienta toda a análise: em pagamentos, “usar criptografia” não significa cifrar tudo. Muitos dos mecanismos mais importantes servem para autenticar e garantir integridade e frescura, e não apenas para esconder informação.

Um pagamento com cartão assenta tipicamente num modelo de quatro partes ^[16]:

Entre o adquirente e o emissor estão as redes de cartões (Visa, Mastercard, e em Portugal também a SIBS, que gere a rede Multibanco). Alguns esquemas, como o American Express, funcionam como modelo de três partes, em que a rede acumula o papel de emissor e adquirente. Além destes, intervêm processadores, fabricantes de terminais, fabricantes de chips e organismos de normalização, como a EMVCo ^[3-2] e o PCI Security Standards Council ^[14-1].

Uma transação divide-se em três fases:

Para o âmbito deste trabalho interessa sobretudo a primeira fase, na qual o emissor tem de decidir, com base em informação que viaja por vários intermediários, se confia no que recebe.

O emissor é quem assume, em última análise, o risco. Por isso precisa de garantias criptográficas sobre três aspetos:

Do lado do terminal e do titular existe a necessidade inversa: ter a garantia de que a resposta de aprovação veio mesmo do emissor.

(CNP = card-not-present, cartão não presente.)

A banda magnética guarda o número do cartão (PAN), a validade, um código de serviço e um valor de verificação (CVV) calculado pelo emissor com uma chave secreta ^[16-1]. Um falsificador não consegue calcular um CVV válido para um PAN novo, mas consegue copiar todos os dados de um cartão existente, porque são sempre os mesmos. O skimming (leitura e cópia por dispositivos escondidos) tornou este modelo insustentável. A lição de projeto é clara: dados estáticos podem ser copiados; é preciso que cada transação gere um valor diferente e dependente de um segredo que nunca sai do cartão. É exatamente o que o chip EMV introduz ^[3-4].

Este capítulo revê as primitivas que aparecem ao longo do relatório, sempre com o foco no papel que desempenham nos pagamentos.

Na criptografia simétrica, a mesma chave serve para cifrar e decifrar ^[18]. Nos pagamentos usam-se sobretudo:

A criptografia simétrica domina nos pagamentos porque é muito mais rápida e exige muito menos recursos do que a assimétrica. Um chip de cartão tem pouca memória e pouco poder de cálculo, e uma transação contactless tem de ficar concluída em poucas centenas de milissegundos. Por isso quase tudo o que é frequente (criptogramas, PINs, derivação de chaves) usa criptografia simétrica.

O 3DES opera em blocos de 64 bits. Cifrar volumes muito grandes de dados com a mesma chave permite ataques de colisão (ataque Sweet32) ^[20]. Em pagamentos o risco prático é atenuado porque as chaves de sessão mudam a cada transação, mas o NIST determinou a retirada do 3DES ^[8-3], ^[9-1], o que justifica a migração para AES.

Um MAC é uma pequena etiqueta calculada a partir de uma mensagem e de uma chave secreta ^[18-1]. Quem conhece a chave consegue calcular e verificar a etiqueta; quem não conhece não consegue forjá-la. Garante integridade (a mensagem não foi alterada) e autenticidade (veio de alguém que possui a chave).

Nos cartões, o MAC é construído a partir de uma cifra por blocos. Exemplos usados na indústria são o CBC-MACe variantes normalizadas (ISO/IEC 9797-1 ^[21], como o “Retail MAC” com 3DES) e o CMAC com AES ^[22]. Um aspeto importante: o MAC não prova a identidade perante terceiros, porque emissor e cartão partilham a mesma chave (qualquer um poderia ter gerado a etiqueta). Serve para o emissor verificar o cartão, não para provar a um tribunal, por exemplo, que o titular fez a compra.

Na criptografia assimétrica há um par de chaves: uma chave privada (secreta) e uma chave pública (divulgável) ^[18-2]. Nos cartões EMV usa-se RSA ^[3-5] para:

A grande vantagem é que o terminal consegue verificar a autenticidade de um cartão sem partilhar nenhum segredo com ele, e sem precisar de contactar o emissor. A desvantagem é o custo computacional: operações RSA com chaves longas são pesadas para chips pequenos. Por isso são usadas apenas onde são indispensáveis, nomeadamente na autenticação offline do cartão, e não no criptograma online.

O tamanho das chaves é crítico. O caso de Serge Humpich (1998) mostrou que uma chave RSA de 320 bits, usada nos cartões franceses, podia ser fatorizada, e a partir daí foram fabricados cartões falsos aceites pelos terminais ^[23]. Hoje em dia exigem-se tamanhos muito superiores (2048 bits ou mais para as chaves das entidades de topo).

Uma função de hash transforma dados de qualquer tamanho numa impressão digital de tamanho fixo, de forma irreversível ^[18-3]. No EMV é usada, por exemplo, para calcular o hash dos dados estáticos que o emissor assina (SHA-1 nas especificações tradicionais ^[3-6], com migração para famílias mais fortes). É também a base das assinaturas digitais, que assinam o hash dos dados e não os dados completos.

Um certificado liga uma chave pública a uma identidade, assinado por uma entidade de confiança (CA). Em EMV a hierarquia tem três níveis ^[3-7]:

Todos os terminais têm instaladas as chaves públicas das CAs das redes. Quando um cartão é lido, o terminal reconstrói e verifica a cadeia: se todas as assinaturas forem válidas, a chave do cartão é confiável. Este é um exemplo clássico de âncora de confiança pré-instalada.

Em vez de guardar uma chave independente para cada cartão, o emissor mantém uma chave mestra e deriva dela chaves específicas ^[3-8].

𝑐ℎ𝑎𝑣𝑒 𝑑𝑜 𝑐𝑎𝑟𝑡ã𝑜=𝑓(𝑐ℎ𝑎𝑣𝑒 𝑚𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎,𝑃𝐴𝑁,𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑞𝑢ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑐𝑎𝑟𝑡ã𝑜)Cada cartão tem uma chave única, e o emissor consegue recalculá-la sempre que necessário sem a armazenar. Comprometer um cartão não compromete os restantes.

Derivadas da chave do cartão e de um contador que aumenta a cada transação (ATC). Cada pagamento usa assim uma chave diferente.

No caso dos terminais, a norma DUKPT (ANSI X9.24) [7] aplica a mesma ideia ao PIN: a cada PIN introduzido, deriva-se uma nova chave a partir de uma chave inicial e as chaves anteriores são destruídas, de modo que o roubo de um terminal não permite decifrar PINs antigos (forward secrecy).

Vários mecanismos dependem de valores imprevisíveis: o desafio do terminal para o cartão, o “número imprevisível” incluído no criptograma ^[3-9], as próprias chaves. Se o gerador de números aleatórios for fraco ou previsível, protocolos que são bons no papel deixam de ser seguros. Este tema voltará no capítulo 7, com o ataque pre-play ^[5-1].

Um HSM é um dispositivo dedicado, resistente a adulteração, que gera e guarda chaves e executa operações criptográficas sem nunca expor as chaves em claro. Quem o utiliza envia pedidos (“calcula este MAC”, “traduz este PIN”) e recebe os resultados. Os HSM usados em pagamentos têm certificações como FIPS 140 e PCI HSM ^[14-2].

Os HSM organizam as chaves numa hierarquia: no topo, uma chave mestra local; abaixo dela, chaves de transporte e de troca entre instituições; e, no fundo, as chaves de trabalho (para PINs, MACs, etc.) ^[13-1], ^[14-3]. A criação e distribuição das chaves de topo faz-se em cerimónias de chaves com dupla custódia, em que várias pessoas controlam cada componente da chave, para que ninguém sozinho a conheça por inteiro ^[14-4].

Não existe “o algoritmo do cartão”. O sistema de pagamentos combina várias primitivas, e a escolha concreta depende da especificação, do perfil da aplicação, do emissor, do terminal e da geração tecnológica ^[3-10].

A pergunta útil é outra: que propriedade se quer garantir, que mecanismo a fornece e que algoritmo está por baixo desse mecanismo?

A ECC é especialmente atraente em cartões: para níveis comparáveis de segurança clássica, usa chaves muito mais pequenas do que o RSA, o que poupa memória, tempo de cálculo e dados trocados na interface sem contacto ^[3-11]. A transição não é apenas matemática, porque obriga a atualizar cartões, terminais, autoridades de certificação e procedimentos de emissão, mantendo a interoperabilidade durante o período de coexistência (ver secção 8.3).

O ARQC é um MAC ^[3-12]. Os dados da transação podem viajar em claro; o criptograma serve para provar que quem o produziu conhece a chave secreta e que os dados não foram alterados.

Cifrar é transformar dados de forma reversível com uma chave. Um token é um substituto emitido e controlado por um serviço de tokenização, cuja utilidade fica limitada a um dispositivo, comerciante ou cenário ^[7-2]. Um token roubado continua a ser uma credencial, mas de valor muito mais restrito do que o PAN.

A impressão digital ou o rosto apenas mostram ao telemóvel que o utilizador autorizou a operação; perante o sistema de pagamento, a prova continua a ser criptográfica.

Este é o capítulo central do trabalho. Segue-se a ordem histórica e lógica: primeiro a banda magnética (o ponto de partida), depois o chip EMV com a autenticação do cartão, o criptograma de transação e o tratamento do PIN, e por fim as extensões para contactless, carteiras móveis e pagamentos online.

Na banda magnética, a única proteção criptográfica é o CVV/CVC, um valor de verificação calculado pelo emissor com uma chave DES secreta, a partir do PAN, da validade e do código de serviço ^[16-2]. Como o valor é calculado no momento da emissão e gravado na banda, todas as leituras devolvem os mesmos dados. O emissor verifica o CVV recalculando-o, mas não tem forma de distinguir o cartão original de uma cópia perfeita.

O PIN, quando usado, é verificado online (cifrado até ao emissor) ^[12-1]. A segurança depende, portanto, de manter o cartão fisicamente seguro e de o PIN ser secreto, o que é insuficiente para ataques como skimming.

O padrão EMV (Europay, Mastercard, Visa), hoje mantido pela EMVCo, define como um cartão com microprocessador e um terminal comunicam ^[3-13]. A ideia essencial é que o chip é um pequeno computador seguro que guarda segredos e faz criptografia, em vez de apenas armazenar dados. Os segredos (chaves) nunca saem do chip, e cada transação produz valores novos.

Uma transação EMV decorre nestes passos ^[3-14]:

Autenticação local e remota. Há duas conversas criptográficas distintas numa transação. A local é entre o cartão e o terminal, que quer saber se o cartão é genuíno mesmo sem ligação à rede, e usa criptografia de chave pública (secção 4.3). A remota é entre o cartão e o emissor, e usa criptografia simétrica com segredos partilhados (secção 4.4). Perceber esta divisão explica porque é que o EMV usa RSA (ou ECC) num sítio e MAC com chaves simétricas noutro ^[3-15].

O objetivo é que o terminal, mesmo sem ligação ao emissor, consiga verificar que o cartão é genuíno. Usa-se criptografia assimétrica e a cadeia de certificados descrita na secção 3.5 ^[3-16].

A chave pública da CA da rede está pré-instalada nos terminais. O cartão apresenta o certificado da chave pública do emissor (assinado pela CA) e, nas variantes dinâmicas, o certificado da sua própria chave (assinado pelo emissor). O terminal verifica as assinaturas sucessivamente, recuperando as chaves públicas.

O emissor assina, no momento da personalização do cartão, um conjunto de dados estáticos do cartão. O terminal verifica essa assinatura. Prova que os dados foram emitidos por um emissor legítimo, mas o valor apresentado é sempre o mesmo, pelo que pode ser copiado. O SDA não impede a clonagem do chip e é o ponto fraco que o ataque YES-card explora (capítulo 7) ^[16-3].

O chip possui um par de chaves RSA próprio. O terminal envia um número aleatório (desafio) e o chip assina-o com a chave privada, que nunca sai do chip. O terminal verifica a assinatura com a chave pública do cartão (obtida pela cadeia de certificados). Como o desafio muda sempre, copiar uma resposta antiga é inútil, e copiar o chip exigiria extrair a chave privada.

Reúne a autenticação dinâmica e a geração do criptograma: a assinatura RSA do chip cobre também o criptograma da transação. Liga assim a prova de identidade do cartão à transação concreta, fechando uma brecha que existia quando as duas coisas eram feitas separadamente.

A autenticação offline responde ao terminal. Mas quem decide é o emissor, que precisa da sua própria prova, que é o criptograma ^[3-17].

O emissor precisa de ter a certeza de que este cartão físico participou nesta transação concreta, com estes valores, e que não é a repetição de uma transação antiga.

O emissor tem uma chave mestra (MK) guardada no HSM. Na personalização do cartão, é derivada e gravada no chip uma chave específica:
𝑐ℎ𝑎𝑣𝑒 𝑑𝑜 𝑐𝑎𝑟𝑡ã𝑜=𝑓(𝑀𝐾,𝑃𝐴𝑁,𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑞𝑢ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑃𝐴𝑁)O emissor não precisa de guardar essa chave: recalcula-a sempre que necessário a partir da MK e dos dados do cartão. Se um atacante conseguir extrair a chave de um chip, não ganha nada sobre os outros.

A partir da chave do cartão e do ATC (Application Transaction Counter, um contador que o chip incrementa em cada transação), deriva-se uma chave de sessão. Cada transação usa assim uma chave diferente, o que limita o que um atacante ganharia mesmo que conseguisse observar muitas transações.

O chip calcula um MAC ^[21-1] com a chave de sessão sobre os dados que o terminal lhe entregou e alguns que o próprio chip controla. Tipicamente incluem:

O resultado, de 8 bytes, é o ARQC (Authorization Request Cryptogram), e viaja com os dados da transação até ao emissor ^[3-18].

O emissor recebe os dados e o ARQC e executa, normalmente dentro de um HSM ^[14-5]:

Se tudo bater certo, o emissor sabe que (a) o cartão possui a chave correta, logo é genuíno; (b) os dados chegaram sem alteração; (c) a transação é fresca, não uma repetição.

O emissor devolve a resposta (aprovar/recusar), acompanhada de um ARPC (Authorization Response Cryptogram), calculado com a mesma chave de sessão a partir do ARQC e de um código de resposta ^[3-19]. Ao verificá-lo, o chip tem a prova de que a resposta veio mesmo do emissor e não de um intermediário que diz “aprovado” sem autorização. Obtém-se assim autenticação nos dois sentidos.

O chip responde ao terminal com um de três criptogramas, conforme a decisão tomada com base nas suas regras de risco ^[3-20]:

O PIN é o segredo que o titular partilha com o emissor. O desafio criptográfico é que ele tem de ser verificado sem nunca ficar exposto, nem no terminal, nem nas redes, nem nos sistemas intermédios ^[12-2], ^[14-6].

O PIN introduzido no teclado é comparado com um valor guardado no chip, que responde apenas “correto” ou “incorreto” ^[3-21]. Há duas variantes: em claro (o PIN viaja do teclado ao chip sem cifra, o que exige que o teclado e o canal sejam fisicamente seguros) e cifrado com RSA, usando a chave pública do chip (a mesma ideia da DDA), de modo que só o chip consegue ler o PIN. O chip mantém um contador de tentativas e bloqueia-se após demasiados erros.

Quando o PIN é verificado pelo emissor, é preciso protegê-lo ao longo de uma cadeia:

O PIN nunca é cifrado diretamente: é primeiro formatado num bloco de 8 bytes (ou 16, no formato com AES) ^[12-3]. No formato mais usado (formato 0), o PIN preenchido é combinado por XOR com o PAN. Assim, o mesmo PIN produz blocos diferentes em cartões diferentes, impedindo que um atacante detete PINs iguais comparando blocos cifrados.

O bloco é cifrado logo na entrada do PIN, dentro de um dispositivo certificado como resistente a adulteração (PED) ^[14-7], com uma chave do terminal.

Cada entidade da cadeia tem as suas próprias chaves. O PIN block é decifrado e recifrado com a chave seguinte, sempre dentro de um HSM (operação de tradução de PIN), de modo que o PIN em claro nunca existe fora de hardware seguro ^[14-8].

Os terminais usam habitualmente a gestão de chaves DUKPT (Derived Unique Key Per Transaction, ANSI X9.24) ^[13-2]: o terminal recebe uma chave inicial e deriva uma chave nova em cada introdução de PIN, apagando as anteriores. O adquirente, que conhece a chave-base, consegue reconstruir cada chave de transação. Se um terminal for roubado, os PINs passados continuam protegidos, e a chave inicial do terminal não é revelada porque o terminal só guarda o estado atual.

Os cartões e telemóveis sem contacto usam o mesmo princípio do chip, por NFC e a poucos centímetros do leitor ^[17-1]. Como a transação tem de ser extremamente rápida, o protocolo reduz passos e usa de forma preferencial a CDA e a geração do criptograma. A segurança assenta no mesmo núcleo (criptograma dinâmico por transação), complementado por limites de valor e contadores que exigem PIN periodicamente.

O NFC (Near Field Communication) é apenas o canal: comunicação por rádio a 13,56 MHz, com alcance típico de poucos centímetros, assente em normas como a ISO/IEC 14443 ^[25], ^[26]. Um cartão sem bateria obtém a energia do campo do terminal, o que obriga a operações rápidas e leves. A segurança (autenticação, criptograma, verificação do titular) vem das camadas EMV por cima ^[17-2]. Daqui resultam duas consequências: escutar o canal não equivale a quebrar o pagamento, e o curto alcance não é um mecanismo criptográfico, pelo que não deve ser tomado como garantia de segurança.

Tanto o chip do cartão como, nos telemóveis, um componente seguro (ou um ambiente de execução protegido) guardam as chaves e executam as operações criptográficas internamente, devolvendo apenas o resultado. O segredo não precisa de ser exposto ao sistema operativo nem ao terminal.

Nas carteiras móveis (Apple Pay, Google Pay, entre outras), o PAN real é substituído por um token (PAN do dispositivo, DPAN) emitido por um Token Service Provider (normalmente a rede) ^[7-3].
O token:

O comerciante nunca vê o PAN real. A rede faz a destokenização (troca o token pelo PAN verdadeiro) antes de enviar o pedido ao emissor. Se o comerciante sofrer uma fuga de dados, os atacantes obtêm tokens inutilizáveis noutro contexto.

O utilizador autentica-se no próprio dispositivo (biometria ou código), o que cumpre a autenticação forte exigida pela regulação ^[10-2].

Sem chip nem terminal, a criptografia tem de ser aplicada noutras camadas:

O canal entre o browser (ou a aplicação) e o servidor é protegido por TLS, que fornece confidencialidade, integridade e autenticação do servidor através de certificados.

O código de três dígitos impresso no cartão (distinto do CVV da banda magnética) é calculado pelo emissor com uma chave própria e verificado online ^[16-4]. O PCI DSS proíbe que o comerciante o guarde depois da autorização, para que uma fuga de base de dados não permita fraude ^[14-9].

Acrescenta uma terceira entidade ao fluxo: o emissor autentica o cliente diretamente ^[6-3]. O comerciante envia ao emissor dados do dispositivo e da transação (o que permite avaliar o risco). Se o risco for baixo, a autenticação é “sem fricção”; caso contrário, o titular recebe um desafio (notificação na aplicação do banco, biometria, código). O resultado é uma prova de autenticação, protegida por assinaturas, que acompanha a autorização.

A diretiva PSD2 e as normas técnicas associadas exigem, em regra, dois de três fatores independentes: algo que o utilizador sabe (PIN, palavra-passe), algo que possui (telemóvel, cartão) e algo que é (impressão digital, rosto) ^[10-3]. Existem isenções, por exemplo para valores baixos ou para transações de baixo risco segundo a análise do prestador (valores e condições a confirmar na legislação em vigor ^[10-4]).

Os “cartões guardados” nas lojas online são cada vez mais tokens de rede, em vez do PAN real ^[7-4], o que reduz o âmbito de risco do comerciante.

O MB WAY e o Multibanco (referências e cartões virtuais) usam autenticação na aplicação do banco, associando um fator de posse (dispositivo registado) a um de conhecimento ou inerência (PIN/biometria).

As construções anteriores só são seguras se as chaves de topo estiverem protegidas. Em cada instituição, um conjunto de HSMs executa as operações descritas: validar ARQC, gerar ARPC, traduzir PINs, assinar certificados, gerar e personalizar chaves nos cartões ^[14-10]. As chaves são organizadas numa hierarquia e distribuídas através de cerimónias com dupla custódia (secção 3.8). O princípio operacional é o mesmo em todos os níveis: as chaves em claro só existem dentro de dispositivos certificados e nunca em memória de servidores gerais, em ficheiros ou em logs ^[14-11].

(CNP, Card-Not-Present)

O capítulo anterior descreveu o que acontece; este explica porque é que funciona. Parte-se de um modelo de ameaça e mostra-se como cada mecanismo responde a um ataque concreto.

Um sistema de pagamentos tem de assumir que ^[16-5]:

Por outro lado, assume-se que os algoritmos são públicos (princípio de Kerckhoffs ^[27]): a segurança depende apenas das chaves, e não do segredo do desenho.

A segurança é sempre relativa ao modelo de ameaça e à qualidade da implementação. Um protocolo pode ser matematicamente sólido e ainda assim falhar por um gerador de números aleatórios fraco, por um modo de compatibilidade menos seguro ou por uma API de HSM mal desenhada ^[5-2], ^[28], ^[29]. Estes casos são o tema do capítulo 7.

O EMV mudou a natureza do problema: deixou de ser proteger dados que podem ser copiados e passou a ser provar a posse de um segredo sem o revelar. É uma mudança decisiva, mas não elimina a necessidade de camadas adicionais.

A adoção do chip, da tokenização e da autenticação forte trouxe benefícios concretos:

A criptografia dinâmica tornou a cópia simples de um cartão inútil ^[3-24]. Nos países que migraram para EMV a fraude com cartão presente e cartões falsificados caiu substancialmente ^[2-1].

Cada transação carrega um criptograma único, pelo que interceptar mensagens e reenviá-las não funciona ^[3-25].

Com tokenização, os dados que um comerciante guarda ou perde não servem para pagamentos noutro contexto ^[7-5].

O EMV é um padrão aberto e implementado em milhões de terminais e cartões ^[3-26]. Um cartão português funciona num terminal em Tóquio, e as chaves públicas das redes bastam para o terminal verificar cartões de qualquer emissor.

A criptografia assimétrica permite autenticar um cartão sem ligação à rede, o que mantém o comércio a funcionar em situações de falha de comunicações ^[3-27].

Apesar das operações criptográficas, uma transação contactless completa-se em poucas centenas de milissegundos, graças ao uso de criptografia simétrica e a otimizações do protocolo ^[17-3].

O uso de chaves derivadas evita armazenar uma chave por cartão no emissor, e a criptografia simétrica cabe em chips de baixo custo ^[3-28].

As regras de transferência de responsabilidade (liability shift) incentivam a adoção das tecnologias mais seguras: quem não usa chip ou 3DS suporta o custo da fraude que daí resulte ^[16-6].

A tokenização com biometria do telemóvel elimina a necessidade de memorizar ou digitar dados do cartão, e a autenticação sem fricção do 3DS2 reduz o abandono de compras ^[7-6], ^[6-4].

Um dos temas mais interessantes deste domínio é que a criptografia de base raramente é quebrada. Os ataques exploram o protocolo, a implementação, a gestão de chaves ou os pontos finais ^[16-7].

Muitos cartões ainda têm banda magnética por compatibilidade com terminais antigos e com países que migraram mais tarde. Um atacante pode copiar a banda num terminal ou multibanco adulterado e usar a cópia em locais que aceitem fallback ^[16-8]. Alguns terminais, perante falha de leitura do chip, aceitam a banda, e os atacantes provocam essa falha. A segurança do chip é anulada pelo caminho legado.

Mitigações: desativar fallback, bloquear transações de banda em cartões com chip (indicação no código de serviço) e retirar progressivamente a banda.

Os cartões franceses usavam uma chave RSA pública de 320 bits. Serge Humpich fatorizou-a e, com isso, conseguiu produzir cartões que o terminal aceitava como válidos, sem conhecer qualquer segredo do emissor ^[23-1]. O desenho estava correto, mas o parâmetro de segurança era insuficiente. Desde então a lição adquirida é que o tamanho das chaves tem de acompanhar a capacidade de cálculo de quem ataca, e que é preciso prever a migração.

Nos cartões que usam apenas SDA, a assinatura estática é sempre a mesma e não depende da transação. Um atacante pode fabricar um cartão falso, com os dados copiados de um cartão real, que aceita qualquer PIN e responde “sim” a todas as verificações, daí o nome YES-card ^[16-9]. O terminal verifica a assinatura estática (válida, porque foi copiada) e não consegue distinguir o falso do verdadeiro, a menos que a transação vá online e o emissor valide o criptograma.

Mitigação: usar DDA/CDA, e transações online para valores relevantes.

Em “Chip and PIN is Broken” ^[4-2], mostrou-se que um dispositivo colocado entre o cartão e o terminal (man-in-the-middle) pode fazer com que o terminal acredite que o PIN foi verificado, enquanto o cartão acredita que foi feita uma verificação por assinatura. O dispositivo diz ao terminal “PIN correto” e ao cartão “não houve PIN”. A causa é uma lacuna de desenho: o criptograma não cobria de forma suficiente a informação sobre que método de verificação do titular tinha sido usado. O emissor recebia um criptograma válido e não detetava a discrepância. O ataque foi demonstrado em condições reais com cartões do Reino Unido ^[4-3].

Mitigações: incluir os resultados da verificação do titular no criptograma e as verificações no emissor, e o uso de CDA.

O ataque pre-play, descrito em “Chip and Skim” (arXiv 2012; IEEE S&P 2014) ^[5-3], explora o número imprevisível (UN) que o terminal gera e que entra no criptograma. Se o gerador for previsível (por exemplo, um contador ou um valor derivado da data), um atacante com acesso temporário ao cartão (ou a um terminal comprometido) pode pedir ao cartão criptogramas para valores futuros do UN e usá-los mais tarde para efetuar pagamentos fraudulentos, mesmo sem ter o cartão presente. O protocolo está correto desde que o UN seja realmente imprevisível.

Mitigação: geradores de números aleatórios adequados e certificados, e verificação pelo emissor da coerência de ATC e dos dados do terminal.

Num ataque de retransmissão, um dispositivo próximo do cartão da vítima e outro junto de um terminal legítimo retransmitem as mensagens entre os dois, em tempo real, por uma ligação de rede. O terminal julga estar a falar com o cartão da vítima. Nada na criptografia é quebrado: as mensagens são autênticas, apenas “viajam”. Estes ataques foram demonstrados na literatura (por exemplo, Drimer e Murdoch, 2007) ^[30].

Mitigações: limites de valor sem PIN, contadores de utilização, medição do tempo de resposta (distance bounding) em algumas implementações ^[30-1] e autenticação no dispositivo nas carteiras móveis.

Resistência a relay. Como a criptografia não impede a retransmissão, as especificações contactless introduziram mecanismos de relay resistance (por exemplo, o Relay Resistance Protocol): o terminal envia um desafio e mede o tempo de resposta do cartão, e um atraso anormal, típico de uma retransmissão, leva a recusar ou a pedir autorização online ^[17-4]. O caso mostra que autenticação criptográfica e proximidade física são propriedades diferentes: um protocolo pode provar que fala com um cartão genuíno sem provar que ele está onde o terminal julga.

Escuta passiva (eavesdropping). O curto alcance dificulta a interceção, mas não a impede. Um atacante equipado pode observar a comunicação, mas os dados capturados, incluindo criptogramas de transações anteriores, não permitem produzir a próxima transação válida, porque esta depende do número imprevisível e do ATC ^[3-29].

Mesmo com HSM, o PIN pode ser revelado se as operações que o HSM oferece puderem ser encadeadas de forma inesperada. Trabalhos de Bond e Zieliński (ataques à tabela de decimalização, 2003) ^[28-1] e de Berkman e Ostrovsky (2007) ^[29-1] mostraram que um atacante com acesso legítimo à API (por exemplo, um funcionário malicioso ou um sistema comprometido) pode, com poucas chamadas bem escolhidas, descobrir PINs ou chaves. A criptografia é sólida, mas a interface expõe demasiado.

Mitigações: restringir comandos disponíveis, aplicar políticas de utilização no HSM, separar funções e monitorizar volumes de pedidos ^[14-14].

O PAN e o PIN têm de existir em claro num ponto: quando são introduzidos ou apresentados. Se o terminal estiver comprometido, o malware pode capturar os dados antes de serem cifrados.

A lição a aprender: cifrar o canal não protege o endpoint.

Mitigações: encriptação ponto a ponto (P2PE) a partir do leitor ^[14-15], tokenização ^[7-7], segmentação de rede, CSP e integridade de scripts no comércio eletrónico, e o 3DS2 ^[6-5].

O 3DES tem blocos de 64 bits, o que o torna teoricamente vulnerável a ataques de colisão com grandes volumes de dados (Sweet32, Bhargavan e Leurent, 2016) ^[20-1]. Em pagamentos o risco prático é pequeno porque as chaves de sessão são curtas e mudam a cada transação, mas o NIST fixou a sua retirada ^[8-5], ^[9-3]. Alguns certificados EMV usam ainda SHA-1, cujas colisões já foram demonstradas ^[24-1], e chaves RSA de comprimento modesto. A migração é lenta porque exige atualizar cartões, terminais e HSMs de milhares de instituições.

Os chips podem ser atacados por análise de consumo energético (SPA/DPA, Kocher et al., 1999) ^[15-1], por injeção de falhas (variações de tensão, laser) ou por microssondagem, com o objetivo de extrair chaves ^[16-10]. Os fabricantes respondem com contramedidas (ruído, mascaramento, sensores) e as certificações (Common Criteria, EMVCo) testam esta resistência ^[3-30].

O algoritmo de Shor ^[33], executado num computador quântico suficientemente grande, quebraria RSA e criptografia de curva elíptica, afetando os certificados EMV. A criptografia simétrica sofre menos: o algoritmo de Grover ^[34] reduz a segurança efetiva a cerca de metade dos bits, pelo que o AES-128 continua razoável e o AES-256 oferece margem confortável. O risco de “colher agora, decifrar depois” é menor em pagamentos (os dados perdem valor depressa), mas os certificados de longa duração nos cartões obrigam a planear a migração para criptografia pós-quântica (por exemplo, os algoritmos normalizados pelo NIST, como ML-KEM, ML-DSA e SLH-DSA) ^[11-2].

A conclusão transversal é que a maior parte dos ataques bem-sucedidos explora o contexto à volta da criptografia, e não os algoritmos em si.

Um sistema criptograficamente sólido só protege se for implementado, operado e mantido corretamente. Este capítulo reúne os fatores que, na prática, determinam o sucesso ou o fracasso de uma solução de pagamentos.

O ecossistema é fortemente regulado por normas da indústria:

A certificação tem custo e prazo, e condiciona o ciclo de desenvolvimento de qualquer produto. Por outro lado, fornece uma base de confiança independente e partilhada pelo setor.

A gestão de chaves é, em muitos casos, mais difícil e mais crítica do que a escolha dos algoritmos ^[14-16], ^[16-11]. Inclui:

Falhas operacionais (uma chave de teste usada em produção, um componente de chave guardado por uma só pessoa) estão entre as causas mais frequentes de incidentes graves ^[16-12].

Os cartões têm vida longa (muitos anos) e os terminais ainda mais, o que torna a migração criptográfica lenta e cara. As transições em curso incluem:

O conceito importante é a agilidade criptográfica: desenhar sistemas em que seja possível trocar algoritmos e parâmetros sem substituir toda a infraestrutura.

No mundo real, coexistem cartões antigos e novos, terminais de várias gerações e países em fases diferentes de migração. Para manter a aceitação universal, os sistemas mantêm modos menos seguros (autenticação SDA, fallback para banda magnética, PIN em claro offline) ^[3-32], ^[16-13]. Cada modo legado é um caminho de ataque potencial, de modo que a segurança de um sistema é, muitas vezes, a do seu elo mais fraco admitido. Gerir o equilíbrio entre aceitação universal e segurança é uma decisão de negócio e de risco, não apenas técnica.

Uma transação contactless deve concluir-se em poucas centenas de milissegundos ^[17-5]. Isso restringe o número de mensagens trocadas, o tamanho das chaves públicas e os algoritmos utilizados. Os chips têm memória e capacidade de cálculo limitadas, e o custo por unidade é um fator crítico, dado que se emitem milhões de cartões. É por isso que se usa criptografia simétrica para o que é frequente e assimétrica apenas quando indispensável. Do lado dos emissores e adquirentes, os HSM têm de suportar milhares de operações por segundo com elevada disponibilidade (redundância, failover).

Cada medida de segurança tem um custo em fricção, e o excesso de fricção leva os clientes a abandonar compras ou métodos de pagamento. Exemplos:

O desenho de produtos de pagamento é um exercício de gestão de risco. Por vezes aceita-se uma percentagem de fraude controlada em troca de experiência e adoção.

Na União Europeia, a PSD2 impõe autenticação forte do cliente, regras de responsabilidade e acesso a contas por terceiros autorizados ^[10-6]. O RGPD exige minimização e proteção dos dados pessoais ^[35], o que reforça práticas como a tokenização e a limitação de retenção. Em caso de incidente, existem obrigações de notificação ^[35-1]. A criptografia é também uma medida de conformidade, mas não substitui a governação: política de acessos, auditoria e resposta a incidentes.

A engenharia social (phishing, burlas por chamada telefónica em que o atacante convence a vítima a aprovar uma transação) contorna toda a criptografia, porque é o titular autenticado que autoriza a operação ^[16-14]. Os bancos respondem com informação clara nas notificações (o que está a ser aprovado e para quem), limites e deteção de comportamento anómalo. Também a formação de operadores de HSM e do pessoal de comerciantes é parte da segurança.

Qualquer sistema de pagamentos deve prever o que fazer quando algo falha: revogar chaves comprometidas, reemitir cartões, bloquear BINs, alterar certificados, comunicar a reguladores e clientes. A capacidade de recuperação (separação de ambientes, cópias de segurança de chaves em custódia, planos testados) é tão importante como a prevenção ^[14-17].

Este trabalho mostrou que a segurança dos cartões de pagamento é o resultado de uma combinação cuidadosa de várias primitivas criptográficas, cada uma usada onde é mais adequada: criptografia simétrica para os criptogramas e o PIN, por ser rápida e caber em chips baratos; criptografia assimétrica para a autenticação offline do cartão, onde é preciso provar identidade sem partilhar segredos; derivação de chaves para isolar cartões e transações; HSM para proteger as chaves de topo; e, mais recentemente, tokenização e autenticação forte para proteger o comércio eletrónico e as carteiras móveis.

Importa também separar as camadas: o NFC fornece apenas o canal de proximidade, e a segurança resulta do EMV, da gestão de chaves e das regras de processamento, e não do pequeno alcance do rádio.

A ideia central do EMV é simples e poderosa: em vez de dados estáticos copiáveis, o cartão prova a sua autenticidade com valores dinâmicos, ligados à transação e dependentes de um segredo que nunca sai do chip. Esta mudança, da banda magnética para o chip, eliminou a classe de fraude mais fácil de industrializar e demonstrou o valor de desenhar sistemas assumindo que os canais e os terminais não são de confiança.

A análise de ataques revelou, porém, o padrão mais importante do trabalho: raramente se quebram os algoritmos. Os ataques bem-sucedidos exploraram uma chave RSA demasiado curta (Humpich), uma lacuna de protocolo (no-PIN), uma implementação com aleatoriedade fraca (pre-play), uma interface de HSM demasiado permissiva, modos de compatibilidade legados (fallback) ou o simples facto de os dados existirem em claro nos pontos finais (Target, British Airways). A criptografia é necessária, mas a segurança é uma propriedade do sistema completo: protocolo, implementação, gestão de chaves, hardware, operações e pessoas.

Para o futuro, três tendências merecem atenção: a migração de algoritmos (3DES para AES, SHA-1 para SHA-2) e a necessidade de agilidade criptográfica; a preparação pós-quântica dos certificados e assinaturas assimétricas; e a mudança do ponto de risco para os endpoints e para o comportamento humano, o que reforça a importância da tokenização, da biometria no dispositivo e da deteção de fraude em tempo real.

Como reflexão final, os cartões de pagamento mostram que a criptografia aplicada é um exercício de compromisso entre segurança, custo, desempenho, compatibilidade e usabilidade, e que a sua qualidade se mede, em última análise, não pelo algoritmo mais forte, mas pelo elo mais fraco da cadeia.