MAKALAH PENGERTIAN DAN SEJARAH DES (Data Encryption Standard)

DES (Data Encryption Standard)

DISUSUN
OLEH
M. DARNI  KURNIAWAN IRAWAN

UIN MALANG
TEKNIK INFORMATIKA
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
2011/2012

Sejarah
DES atau Singkatan dari Data Encryption Standard merupakan algoritma penyandian yang diadopsi dan dibakukan oleh NBS (National Bureau Standard) yang kini menjadi NIST (National Institute of Standards and Technology) pada tahun 1977 sebagai FIPS 46 (Federal Information Processing Standard).
DES bermula dari hasil riset Tuchman Meyer yang diajukan sebagai kandidat Sandi Standard Nasional yang diusulkan oleh NBS. Konon katanya, algoritma yang dikembangkan oleh Tuchman Meyer ini merupakan algoritma terbaik dari semua kandidat Sandi Standard Nasional. Pada mulanya, algoritma yang kini disebut DES, memiliki panjang kunci sandi 128 bit. Namun selama proses pengadopsian, NBS melibatkan NSA (National Security Agency), dan algoritma sandi ini mengalami pengurangan ukuran kunci sandi dari 128 bit menjadi 56 bit saja. Sebagian orang mungkin mengira bahwa pengurangan panjang kunci sandi ini merupakan usulan NSA untuk melemahkan algoritma Tuchman Meyer karena motif politik tertentu. Entah itu untuk mempermudah penyadapan atau untuk melemahkan pengamanan informasi lawan politik. Mungkin NSA menginginkan algoritma Tuchman Meyer ini “cukup aman” untuk digunakan warga sipil, tetapi mudah dipecahkan oleh organisasi besar semisal NSA dengan peralatan canggihnya. Bila dibandingkan dengan performa komputer personal pada saat itu, algoritma sandi dengan panjang kunci 56 bit dapat dikatakan cukup aman bila digunakan oleh orang-orang “biasa”, tapi dapat dengan mudah dipecahkan dengan peralatan canggih dan tentunya kepemilikan alat canggih ini hanya dapat dijangkau oleh organisasi elit seperti NSA. Dengan dukungan dana yang melimpah, pembuatan alat brute‐force DES bukanlah hal yang mustahil pada saat itu. Kini algoritma DES sudah usang dan keamanannya pun sudah tidak dapat dipertanggungjawabkan lagi. Kini komputer personal pun sudah cukup untuk membobol algoritma DES, apalagi dengan adanya teknologi parallel computing dan internet yang berkembang pesat. DES telah secara resmi digantikan fungsinya oleh AES (Advanced Encryption Standard) dengan panjang kunci sandi 128, 192 dan 256 bit.
Kendatipun kita telah mengetahui bahwa algoritma AES sudah kuno dan tidak aman, tidak ada salahnya jika kita mempelajari algoritma ini untuk tujuan hobi atau pendidikan. Perlahan tapi pasti, belajar dari algoritma yang sederhana dan perlahan‐lahan menuju algoritma lain yang lebih kompleks.
Algoritma

DES merupakan algoritma enkripsi blok simetris. DES dikatakan enkripsi blok karena pemrosesan data baik enkripsi maupun dekripsi, diimplementasikan per blok (dalam hal ini 8 byte). DES dikatakan enkripsi simetris karena algoritma yang digunakan untuk enkripsi relatif atau bahkan sama persis dengan algoritma yang digunakan dalam proses dekripsi. Proses enkripsi dapat didefinisikan secara sederhana sebagai proses penterjemahan data “asli” yang “jelas” dan “kasat mata” yang dapat dipahami maknanya.

secara langsung menjadi data lain yang terlihat “buram” atau “acak” sehingga tidak dapat dipahami secara langsung, sedemikian rupa sehingga makna informasi yang disembunyikan tidak lagi dapat diketahui secara langsung kecuali dengan mengembalikan informasi tersebut ke bentuk aslinya. Sedangkan proses dekripsi dapat didefinisikan secara sederhana sebagai proses pengembalian bentuk data, dari data “buram” atau “acak” menjadi data “asli” yang “jelas” dan “kasat mata” yang dapat dipahami maknanya. Algoritma enkripsi umumnya dilengkapi semacam kata sandi (password), untuk memvariasikan fungsi enkripsi tersebut. Data yang sama, kunci yang sama dan algoritma yang sama akan menghasilkan data enkripsi yang sama. Dalam algoritma penyandian DES, kunci yang digunakan dalam proses enkripsi dan dekripsi haruslah sama, supaya data dapat dikembalikan ke bentuk aslinya. Bisa jadi, karena “kesamaan” kunci inilah DES juga dinamakan algoritma enkripsi simetris. Inti dari proses enkripsi adalah penyembunyian data dengan mengaburkan data “asli” dan mengurangi keteraturan informasi, sehingga data tersebut tidak dapat “dibaca” kecuali oleh pihak yang berhak. Berbagai algoritma enkripsi sengaja dibuat untuk melindungi informasi dari penyadapan, karena ada kemungkinan terjadinya penyadapan saat data melewati media hantar (media hantar dapat berupa suara, surat, email, kabel, kertas, frekwensi radio atau apapun itu). Seandainya penyadap dapat menyadap semua informasi yang melalui media hantar, idealnya hasil sadapan tersebut hanya menghasilkan data “sampah” yang tidak berguna. Semua algoritma kriptografi diciptakan untuk mewujudkan kondisi ideal tersebut, tapi sayangya kondisi tersebut sangat sulit dicapai, karena selalu ada cara untuk membalikkan informasi sadapan ke bentuk aslinya.
Dalam DES, algoritma dekripsi tepatnya merupakan proses kebalikan (inverse) algoritma enkripsi. Dalam prakteknya proses pembalikan (proses dekripsi) ini diimplementasikan dengan membalikkan urutan sub kunci yang digunakan dalam proses enkripsi, selebihnya algoritma enkripsi dan dekripsi adalah sama. Algoritma enkripsi DES bekerja dengan mengolah blok data 8 byte (64 bit) dengan blok kunci 8 byte (64 bit). Proses penyandian dalam DES diawali dengan fungsi pengacakan bit yang dinamai IP (Initial Permutation) kemudian fungsi inti DES yang diulang sebanyak 16 kali dan terakhir ditutup dengan fungsi pengacakan bit lain yang dikenal denagn nama IP‐1 (Inverse Initial Permutation). Pada sisi lain algoritma penjadwalan sub kunci akan menghasilkan 16 sub kunci secara berurutan dari parameter kunci yang diberikan untuk digunakan pada setiap putaran fungsi inti DES. Sub kunci pertama untuk putaran pertama, sub kunci kedua untuk putaran kedua dan seterusnya hingga putaran ke 16.
Perlu diingat, kendatipun slot kunci yang disediakan digunakan berukuran 8 byte (64 bit), ternyata pada faktanya ukuran kunci yang digunakan hanya sebanyak 56 bit saja, karena bit paling signifikan (MSB) dari setiap bit diabaikan. Jadi sebenarnya ukuran kunci DES adalah 56 bit. Adapun Ilustrasi penyandian DES dalam diagram blok dapat dilihat pada gambar di samping. Algoritma penjadwalan sub kunci dibentuk dari pengacakan bit dan pemutaran kiri ruas kanan dan kiri kunci. Pertama kali, bit-bit kunci diacak dengan Permutation Choice 1 dan dibagi dua menjadi ruas kiri dan ruas kanan. Kedua ruas tersebut kemudian diputar kiri dan diacak kembali dengan Permutation Choice 2 untuk menghasilkan sub kunci. Jumlah pemutaran ke kiri ditentukan secara spesifik untuk setiap sub kunci.
Rinciannya adalah sebagai berikut.

Untuk lebih lanjut, mari terlebih dahulu kita bahas detail algoritma penjadwalan sub kunci kemudian algoritma enkripsi dan terakhir algoritma dekripsi. Inti dari semua proses permutasi dalam DES adalah pengacakan bit. Sebagai contoh, jika masukan permutasi sebanyak n bit, maka akan ada sebanyak 2n kemungkinan masukan permutasi dan ada 2n kemungkinan hasil permutasi. Setiap satu kemungkinan masukan akan berpasangan dengan satu kemungkinan keluaran.
Sebelum proses penjadwalan kunci dimulai, kunci terlebih dahulu dipetakan menjadi matriks 8x8 dan diberi indeks. Dalam setiap byte, indeks paling kecil melambangkan LSB dan indeks paling besar melambangkan MSB. Sebagai contoh, indeks ke 1 melambangkan LSB byte pertama, index ke 8 melambangkan MSB byte pertama, indeks ke 9 melambangkan LSB byte kedua, indeks ke 16 melambangkan MSB byte kedua dan seterusnya hingga indeks ke 64 yang melambangkan MSB byte ke 8. Mari kita perhatikan contoh dibawah ini. Kunci = 0x01, 0x23, 0x45, 0x67, 0x89, 0xab, 0xcd, 0xef

Setelah pemetaan, hasilnya adalah sebagai berikut.

Matriks Indeks Hasil Pemetaan
Pengacakan bit Permutation Choice‐1 akan mengolah 8 byte blok kunci menjadi 56 bit sub kunci yang siap diproses lebih lanjut. Untuk lebih mudahnya, proses pengacakan bit dilambangkan dengan pengacakan indeks bit yang bersangkutan. Berikut ini adalah detail Permutation Choice 1.

Setelah kunci diacak dengan Permutation Choice 1, hasil pengacakan bit tersebut kemudian dibagi 2, yakni ruas kiri dan ruas kanan, masing masing berukuran 28 bit (ditandai dengan garis tebal pada hasil Permutation Choice 1). Selanjutnya kedua ruas tersebut kemudian mengalami pemutaran kiri sebanyak jumlah yang tertera pada tabel penjadwalan jumlah pemutaran yang telah kita bahas sebelumnya. Berikut ini adalah ilustrasi pemutaran ke kiri sebanyak 1 kali (untuk ruas kiri atau ruas kanan kunci yang panjangnya 28 bit). Untuk pemutaran ke kiri dengan jumlah yang lebih besar, cukup mengulangi proses ini sebanyak yang diinginkan.

 Setelah ruas kiri dan ruas kanan diputar kiri dengan jumlah tertentu, selanjutnya hasil pemutaran tersebut digabungkan kembali menjadi 56 bit dan diacak dengan Permutation Choice‐2 untuk menghasilkan sub kunci. Rincian Permutation Choice 2 adalah sebagai berikut.

Karena jumlah keluaran Permutation Choice 48 bit sementara masukannya 56 bit, dengan demikian ada 8 bit yang “dihilangkan”. Bit-bit yang tidak muncul dalam keluaran Permutation Choice 2 diwarnai abuabu. Selanjutnya, mari kita perjelas algoritma enkripsinya. Setelah melihat diagram blok secara keseluruhan proses enkripsi, ada tiga hal yang perlu digarisbawahi dan dibahas lebih lanjut yaitu, pertama IP (Initial Permutation), kedua detail fungsi F dan IP 1 (Inverse Initial Permutation).
Selama proses enkripsi, pertama data dipetakan dan diberi indeks dengan prosedur sama persis seperti pemberian indeks pada penjadwalan kunci yang telah didiskusikan sebelumnya. Selanjutnya hasil pemetaan diacak dengan menggunakan Initial Permutation dengan rincian sebagai berikut
Masukan IP

Setelah data melewati proses Initial Permutation, data yang akan disandikan kemudian dibagi menjadi dua ruas, yaitu ruas kiri dan ruas kanan yang masIng-masing lebarnya 4 byte (32 bit). Pada setiap putaran, ruas kanan dan sub kunci yang bersangkutan diproses dalam fungsi F dan hasilnya di XOR dengan ruas kiri ruas kanan dan kiri dipertukarkan. Proses ini diulang sebanyak 16 kali.
Pada putaran terakhir ruas kiri dan ruas kanan dipertukarkan kembali untuk menghilangkan efek pertukaran pada putaran terakhir. Hasil ini kemudian diacak kembali dengan menggunakan IP 1 (Inverse Initial Permutation). XOR merupakan fungsi Boolean yang didefinisikan dengan table benaran berikut.

Initial Permutatrion dan Inverse Initial Permutation memiliki karakter saling menetralkan. Dalam notasi matematika, IP−1(IP(A))= A. Inverse Initial Permutation didefinisikan sebagai berikut.

 Fungsi F merupakan fungsi inti kompleks yang terdiri dari beberapa proses. Fungsi F menerima dua parameter, yaitu sub kunci dan ruas kanan data yang akan dienkripsi. Berikut ini adalah diagram blok detail fungsi F. Pada fungsi F, ruas kanan (32 bit) diacak sekaligus diperluas dengan permutasi E menjadi 48 bit. Hasil pengacakan tersebut kemudian di XOR dengan sub kunci yang telah ditetapkan dengan putaran yang bersangkutan. Hasil XOR kemudian dipecah menjadi 8 unit yang masing‐masing lebarnya 6 bit. Setiap unit tersebut kemudian disubstitusikan dalam SBOX S1 hingga S8. 6 bit paling kiri disubstitusikan ke dalam S1 dan 6 bit paling kanan disubstitusikan ke dalam S8. Hasil setiap substitusi kemudian digabungkan menjadi data selebar 48 bit yang kemudian diacak dan diperpendek dengan permutasi P menjadi 32 bit. Hasil permutasi P kemudian dinyatakan sebagai keluaran fungsi F yang nantinya akan di XOR kan dengan ruas kiri data yang akan dienkripsi.

 

Sekarang mari kita bahas detail fungsi F satu per satu. Pertama, permutasi E memetakan 32 bit masukan menjadi 48 bit keluaran. Karena lebar keluaran lebih besar dari lebar masukan, maka ada beberapa bit masukan yang digandakan untuk mengisi kekosongan. Permutasi E didefinisikan sebagai berikut

Kedua, DES memiliki 8 buah SBOX (S1 hingga S8) yang memiliki masukan selebar 6 bit dan keluaran selebar 4 bit. Karena lebar keluaran SBOX lebih kecil daripada lebar masukannya, maka adakemungkinan beberapa kombinasi masukan yang berbeda akan menghasilkan keluaran yang sama. Seandainya masukan setiap SBOX adalah 1 2 3 4 5 6 x x x x x x maka S1 hingga hingga S8 didefinisikan sebagai berikut.

 

 

Ketiga, hasil substitusi SBOX kemudian digabungkan menjadi 32 bit dan diacak dengan permutasi P dan hasil permutasi P merupakan keluaran fungsi F yang nantinya di XOR dengan ruas kiri. Permutasi P didefinisikan sebagai berikut.

Dalam DES, algoritma yang digunakan dalam proses enkripsi sama persis dengan algoritma yang digunakan dalam proses dekripsi, hanya saja penggunaan sub kuncinya saja yang berbeda. Dalam proses dekripsi, urutan sub kunci yang digunakan merupakan kebalikan urutan sub kunci yang digunakan dalam proses enkripsi.

Implementasi

Operasi yang digunakan dalam algoritma DES merupakan operasi‐operasi sederhana semisal move, bit copy, XOR, lookup, shift dan rotate. Semua operasi tersebut tersedia dalam mikroprosesor/mikrokontroler 8 bit. Dengan demikian dapat kita simpulkan bahwa DES dapat diterapkan dalam platform 8 bit.
Semua operasi permutasi dalam DES, baik IP, IP 1, PC 1, PC 2, E dan P, pada intinya hanyalah operasi penyalinan bit. Jika instruksi penyalinan bit tidak tersedia, maka permutasi juga dapat diimplementasikan dengan operasi shift, dengan memanfaatkan carry yang timbul dari setiap instruksi shift. Selain itu, operasi substitusi dengan SBOX juga dapat dengan mudah diimplementasikan menggunakan table lookup dengan ukuran yang masih dapat dijangkau. Dalam platform 32 atau 64 bit, DES dapat diimplementasikan lebih effektif lagi, tapi sayangnya operasi bit per bit seperti permutasi mungkin sedikit menyita performa prosesor dan memperlambat laju enkripsi per detik.