Enkripsi AES Dijelaskan: Cara Kerja, Performa, dan Keamanan
- Standar Enkripsi Lanjutan (AES) saat ini adalah algoritma enkripsi simetrik yang paling populer dan banyak diadopsi.
- Ia dikembangkan oleh dua kriptografer Belgia, Vincent Rijmen dan Joan Daemen.
- Jika diimplementasikan dengan benar, algoritma ini tidak dapat diretas saat ini.
Enkripsi adalah cara paling umum untuk melindungi data sensitif. Ini bekerja dengan mengubah data menjadi bentuk di mana arti asli disamarkan dan hanya pengguna yang berwenang yang dapat mendekripsinya.
Ini dilakukan dengan mengacak data dengan fungsi matematika berdasarkan sebuah angka yang disebut kunci. Untuk mengurai (dekripsi) data, prosesnya dilakukan kembali menggunakan kunci yang sama atau berbeda.
Proses disebut simetrik jika kunci yang sama digunakan untuk enkripsi dan dekripsi. Proses disebut asimetrik jika kunci yang berbeda digunakan.
Standar Enkripsi Lanjutan (AES) saat ini adalah algoritma enkripsi simetrik yang paling populer dan banyak diadopsi. Ia ditetapkan oleh US National Institute of Standards and Technology (NIST) pada 2001.
Pada 2002, AES menjadi efektif sebagai standar pemerintah federal. Sejak saat ini, ini adalah sandi publik yang tersedia yang disetujui oleh NSA (National Security Agency) untuk proyek rahasia teratas.
Siapa yang Mengembangkan AES dan Mengapa?
Pada pertengahan tahun 1990, pemerintah Amerika Serikat merencanakan proyek untuk menganalisis berbagai teknik enkripsi. Sebenarnya, mereka mencari standar yang akan aman dan efisien untuk diimplementasikan.
NIST menganalisis ratusan algoritma yang dikirimkan oleh berbagai tim penelitian dan organisasi. Akhirnya, mereka membuat pilihan mereka pada akhir 2001. Mereka memilih "Rijndael" sebagai algoritma Standar Enkripsi Lanjutan baru.
Ia dikirimkan oleh dua kriptografer Belgia, Vincent Rijmen dan Joan Daemen.
Rijndael diuji secara ketat dalam bahasa ANSI, Java, dan C untuk efisiensi dan keandalan dalam proses enkripsi/dekripsi. Mereka memastikan bahwa algoritma baru tahan terhadap serangan besar baik dalam sistem yang berpusat pada perangkat lunak maupun perangkat keras.
Mengapa mereka mencari metode enkripsi baru?
Pada 1976, US National Bureau of Standards (NBS) mengadopsi Data Encryption Standard (DES) untuk mengenkripsi data pemerintah yang sensitif. Ini adalah algoritma kunci simetrik yang dibangun oleh IBM.
Algoritma ini melayani tujuannya cukup baik selama 20 tahun, tetapi dengan kedatangan prosesor yang lebih canggih, beberapa kekhawatiran keamanan mulai muncul.
Faktanya, beberapa peneliti mampu mengembangkan teknik yang dapat merusak DES dalam 48 jam, menggunakan metode brute force. Meskipun serangan semacam itu sangat mahal dan sangat sulit untuk dilakukan, mereka cukup untuk membuktikan bahwa DES segera akan menjadi tidak andal.
Akibatnya, NIST mengumumkan kebutuhan akan algoritma penerus untuk DES dan memulai pengembangan AES pada 1997, yang dimaksudkan untuk tersedia tanpa royalti di seluruh dunia.
Bagaimana Enkripsi AES Bekerja?
Berbeda dengan DES (yang menggunakan ukuran kunci 56-bit yang relatif pendek), AES menggunakan ukuran kunci 128, 192, atau 256-bit untuk mengenkripsi/dekripsi data.
AES adalah sandi iteratif berdasarkan jaringan substitusi-permutasi. Ini melibatkan serangkaian operasi yang terhubung, seperti mengganti input dengan output tertentu (substitusi) atau mengacak bit (permutasi).
Pertama kali yang dilakukan algoritma adalah membagi plaintext (data input) menjadi blok-blok 128-bit. Karena semua komputasi dilakukan pada byte (128 bit = 16 byte), ia mengubah setiap ukuran blok menjadi matriks 4*4 untuk pemrosesan lebih lanjut.
Ada lima langkah utama yang terlibat dalam algoritma AES:
1. Add Round Key: Kunci awal (yang berasal dari proses terstruktur saat enkripsi sebenarnya diterapkan) ditambahkan ke blok plaintext. Ini dilakukan dengan menerapkan algoritma enkripsi aditif yang disebut Exclusive Or (XOR).
2. Substitute Bytes: Byte input diganti dengan mencari tabel yang ditetapkan sebelumnya.
3. Shift Rows: Baris ke-2 matriks digeser satu posisi (byte) ke kiri, baris ke-3 digeser dua posisi ke kiri, dan baris ke-4 digeser tiga posisi ke kiri. Matriks yang dihasilkan berisi 16 byte yang sama tetapi digeser satu sama lain.
4. Mix Columns: Algoritma menggunakan fungsi matematika khusus untuk mengubah setiap kolom matriks. Fungsi ini mengganti kolom asli dengan byte yang sepenuhnya baru.
5. Add Round Key: Matriks sekarang dianggap sebagai 128 bit dan di-XOR dengan kunci putaran 128-bit.
Jika Anda pikir itu saja, Anda tidak bisa lebih salah. Data kembali ke langkah 2, langkah 3, langkah 4, dan langkah 5. Dengan kata lain, langkah 2 hingga langkah 5 dieksekusi dalam lingkaran.
Tapi berapa kali lingkaran berjalan? Ini bergantung pada ukuran kunci sandi AES: Ketika kunci 128-bit digunakan, lingkaran berjalan 9 kali; ketika kunci 192-bit digunakan, lingkaran berjalan 11 kali; dan ketika kunci 256-bit digunakan, berjalan 13 kali.
Setiap putaran tambahan membuat algoritma lebih kuat. Setelah akhir lingkaran, satu putaran tambahan dilakukan, yang melibatkan substitusi byte, pergeseran baris, dan putaran penambahan kunci.
Langkah pencampuran kolom dikecualikan karena, pada titik ini, itu tidak akan mengubah data dan secara tidak perlu menghabiskan sumber daya komputasi, membuat enkripsi menjadi kurang efisien.
Langkah yang terlibat dalam enkripsi dan dekripsi AES
Data Dekripsi
Proses dekripsi relatif sederhana. Semua operasi dilakukan dalam urutan terbalik. Proses dimulai dengan invers tambah kunci putaran, invers pergeseran baris, dan invers substitusi byte.
Dan kemudian untuk setiap putaran, empat proses dilakukan dalam urutan terbalik, yaitu:
- Invers kunci putaran
- Invers pencampuran kolom
- Invers pergeseran baris
- Invers substitusi byte
Akhirnya, invers tambah kunci putaran (langkah 1 dari enkripsi) dilakukan. Setelah selesai proses ini, Anda mendapatkan pesan asli Anda.
Performa
Karena AES jauh lebih cepat dan secara eksponensial lebih kuat dari pendahulunya DES, ia ideal untuk berbagai aplikasi, perangkat keras, dan firmware yang membutuhkan throughput tinggi atau latensi rendah.
Algoritma dapat berperforma sangat baik dalam berbagai perangkat keras, mulai dari komputer berkinerja tinggi hingga kartu pintar 8-bit.
Sebagian besar produsen CPU, termasuk AMD dan Intel, mengintegrasikan set instruksi AES ke dalam prosesor mereka. Ini meningkatkan performa AES pada banyak perangkat dan meningkatkan resistensi mereka terhadap serangan sisi saluran.
Pada CPU AMD Ryzen dan Intel Core i7/i5/i3, enkripsi AES dapat menghasilkan throughput di atas 10 GB/s. Pada prosesor lama, seperti Pentium M, throughput sekitar 60 Mbit/s.
Seberapa Aman Algoritma AES?
Kriptografer telah menganalisis AES untuk kelemahan sejak standar ditetapkan pada 2000. Hingga saat ini, mereka telah menerbitkan serangan teoretis dan sisi saluran terhadap AES-128.
Pada 2009, sekelompok peneliti menargetkan versi 8-kunci putaran dari AES-128. Ini adalah serangan kunci yang diketahui untuk mengetahui struktur internal enkripsi. Namun, karena ini hanya terhadap versi 8-putaran dari AES-128, bukan versi standar 10-putaran, ini dianggap ancaman yang relatif kecil.
Ada juga serangkaian serangan kunci terkait pada tahun yang sama, di mana peneliti mencoba merusak sandi dengan menganalisis bagaimana ia berfungsi di bawah kunci yang berbeda. Namun, serangan ini terbukti menjadi ancaman hanya untuk protokol yang tidak diimplementasikan dengan benar.
Risiko besar: Serangan sisi saluran
Serangan sisi saluran didasarkan pada data yang diperoleh dari implementasi suatu sistem, bukan kelemahan dalam algoritma yang diimplementasikan itu sendiri. Misalnya, konsumsi daya, informasi waktu, atau bahkan kebocoran elektromagnetik dapat menyediakan sumber data tambahan yang dapat dieksploitasi.
Dalam satu kasus, peneliti berhasil menebak kunci AES-128 dengan hati-hati memantau status cache memori prosesor. Namun, kasus semacam ini dapat dikurangi dengan mencegah cara-cara data dapat bocor atau dengan memastikan informasi yang bocor tidak terasosiasikan dengan proses algoritmik.
Baca: Researchers Crack The Largest Encryption Key [RSA-240] In 35 Million Core Hours
Meskipun potensi serangan sisi saluran dan serangan teoretis saat ini, semua versi AES tetap sangat aman. Algoritma AES yang diimplementasikan dengan benar tidak dapat diretas saat ini.
Faktanya, komputer terkuat di dunia akan membutuhkan lebih dari 800 kuadrilion tahun untuk melakukan brute force pada kunci AES 128-bit. Jumlah perhitungan yang diperlukan untuk melakukan brute force pada sandi 256-bit adalah 3,31 x 1056, yang setara dengan jumlah atom di alam semesta.
Aplikasi
AES disertakan dalam program yang kita gunakan sepanjang waktu. Misalnya, WinZip, RAR, dan UltraISO menggunakan Algoritma Rijndael untuk mengenkripsi data Anda.
BitLocker, CipherShed, DiskCyptor, VeraCrypt, dan FileVault membuat gambar drive terenkripsi AES. IEEE 802.11i, standar IEEE yang menentukan mekanisme keamanan untuk jaringan nirkabel, menggunakan AES-128 dalam mode CCM.
Baca: 8 Most Common Encryption Techniques To Save Private Data
Beberapa aplikasi pesan paling populer seperti Facebook Messenger, Signal, WhatsApp, dan Google Allo menggunakan AES untuk mengenkripsi pesan antara pengirim dan penerima.
