Mode operasi penyandian blok

Dalam kriptografi, mode operasi penyandian blok adalah cara menggunakan penyandian blok secara berulang untuk data yang berukuran lebih besar daripada ukuran blok,^[1][2][3] tetapi tetap memberikan keamanan konfidensial dan autentik.^[4] Penyandian blok sendiri hanya cocok untuk enkripsi dan dekripsi sekelompok bit yang disebut blok.^[5]

Kebanyakan mode membutuhkan deret biner unik, sering disebut vektor inisialisasi (IV), untuk tiap enkripsi. IV harus tidak berulang dan, untuk beberapa mode, bernilai acak. Vektor inisialisasi memastikan bahwa teks tersandi akan berbeda walau teks asalnya dienkripsi berulang kali dengan kunci yang sama. Penyandian blok bisa saja beroperasi pada data yang berukuran lebih dari satu blok. Namun, saat beroperasi, ukuran data yang diolah dalam satu waktu hanyalah satu blok. Penyandian blok beroperasi pada satu blok penuh sehingga diperlukan bantalan untuk blok terakhir yang belum berukuran yang sesuai.^[5] Meski demikian, terdapat mode-mode yang tidak memerlukan bantalan karena menggunakan penyandian blok seperti penyandian aliran.

Vektor inisialisasi (IV)

Artikel utama: Vektor inisialisasi

Vektor inisialisasi (IV) atau variabel pemulai (SV)^[3] adalah blok yang dipakai oleh beberapa mode untuk mengacak enkripsi sehingga menghasilkan teks tersandi yang berbeda meski teks asal dienkripsi berulang dengan kunci yang sama.

Vektor inisialisasi memiliki persyaratan keamanan yang berbeda dari kunci. Nilai IV tidak harus rahasia. Untuk kebanyakan mode, penting bahwa nilai IV tidak boleh dipakai ulang untuk kunci yang sama, yaitu hanya boleh dipakai sekali. Banyak mode penyandian blok yang memiliki keamanan lebih, seperti nilai IV harus acak atau acak semu.

Bantalan

Artikel utama: Bantalan (kriptografi)

Penyandian blok bekerja pada ukuran tetap (ukuran blok). Namun, ukuran pesan sangat beragam. Jadi, beberapa mode (seperti ECB dan CBC) mewajibkan blok terakhir diberi bantalan (agar ukurannya sesuai) sebelum dienkripsi. Ada beberapa cara pembantalan. Cara termudah adalah memberi bita kosong ke teks asal hingga memenuhi ukuran blok. Namun, ada perlakuan khusus untuk tetap mempertahankan ukuran teks asal.

Mode-mode yang umum

Ada banyak mode operasi yang telah didefinisikan. Beberapa dituliskan di bawah ini. Tujuan mode operasi adalah untuk menyembunyikan pola yang ada pada teks asal seperti yang dijelaskan pada bagian kelemahan ECB.

Ringkasan mode-mode operasi

Mode		Rumus	Teks tersandi
Buku kode elektronik Electronic codebook	ECB	Yi = F(TeksAsali, Kunci)	Yi
Perantaian penyandian blok Cipher block chaining	CBC	Yi = TeksAsali XOR TeksTersandii−1	F(Y, Kunci); TeksTersandi0 = IV
CBC merambat Propagating CBC	PCBC	Yi = TeksAsali XOR (TeksTersandii−1 XOR TeksAsali−1)	F(Y, Kunci); TeksTersandi0 = IV
Umpan balik penyandian Cipher feedback	CFB	Yi = TeksTersandii−1	TeksAsal XOR F(Y, Kunci); TeksTersandi0 = IV
Umpan balik keluaran Output feedback	OFB	Yi = F(Yi−1, Kunci); Y0 = F(IV, Kunci)	TeksAsal XOR Yi
Pencacah Counter	CTR	Yi = F(IV + g(i), Kunci); IV = token()	TeksAsal XOR Yi
Pencacah Galois Galois/Counter	GCM	Lihat penjelasan dasar matematis	GHASH(H, A, C) = Xm + n + 1 dengan C adalah teks tersandi

Catatan: g(i) adalah fungsi deterministik, biasanya fungsi identitas.

Buku kode elektronik (ECB)

ECB
Buku kode elektronik Electronic codebook
Enkripsi paralel	Ya
Dekripsi paralel	Ya
Akses baca acak	Ya

Mode enkripsi paling sederhana adalah mode operasi buku kode elektronik (ECB), dinamai dari buku kode fisik.^[6] Pesan-pesan dibagi ke dalam blok-blok lalu dienkripsi terpisah.

Kelemahan metode ini adalah ketiadaan penghamburan. Karena ECB mengenkripsi teks asal yang sama menjadi teks tersandi yang sama, ia tidak menyembunyikan pola data dengan baik. ECB tidak disarankan untuk pemakaian protokol kriptografi.^[7][8][9]

Contoh yang menunjukkan dengan jelas bahwa ECB dapat memunculkan pola teks asal pada teks tersandi adalah saat ECB dipakai untuk mengenkripsi citra yang terdiri dari warna yang seragam. Meski warna tiap piksel dienkripsi, citra secara utuh masih dapat diketahui karena bagian yang berwarna sama dienkripsi menjadi pola yang sama pula.

Citra asli

Hasil enkripsi dengan mode ECB

Mode selain ECB menghasilkan acak semu

Citra ketiga adalah hasil yang mungkin muncul bila dienkripsi dengan mode CBC, CTR, atau mode lain yang lebih aman, yaitu sulit dibedakan dari derau acak. Perhatikan bahwa hasil acak tidak menjamin bahwa citra telah dienkripsi dengan aman karena banyak enkripsi tak aman yang bisa menghasilkan keluaran yang "terlihat" acak.

Perantaian penyandian blok (CBC)

CBC
Perantaian penyandian blok Cipher block chaining
Enkripsi paralel	Tidak
Dekripsi paralel	Ya
Akses baca acak	Ya

Ehrsam, Meyer, Smith, dan Tuchman menemukan mode operasi perantaian penyandian blok (CBC) pada tahun 1976.^[10] Dalam mode CBC, tiap blok teks asal di-XOR dengan teks tersandi sebelumnya sebelum dienkripsi. Dengan cara ini, tiap blok teks tersandi bergantung pada semua blok teks asal yang telah diproses hingga blok saat itu. Untuk membuat tiap pesan unik, vektor inisialisasi harus dipakai dalam blok pertama.

Jika blok pertama berindeks 1, rumus enkripsi CBC adalah

${\displaystyle C_{i}=E_{K}(P_{i}\oplus C_{i-1})}$ dan

${\displaystyle C_{0}=IV,}$

sedangkan rumus dekripsi CBC adalah

${\displaystyle P_{i}=D_{K}(C_{i})\oplus C_{i-1}}$ dan

${\displaystyle C_{0}=IV.}$

Perantaian penyandian blok merambat (PCBC)

PCBC
Perantaian penyandian blok merambat Propagating cipher block chaining
Enkripsi paralel	Tidak
Dekripsi paralel	Tidak
Akses baca acak	Tidak

Mode operasi perantaian penyandian blok merambat^[11] atau perantaian penyandian blok teks asal^[12] didesain untuk membuat perubahan kecil pada teks tersandi merambat (menjalar) tanpa batas saat dekripsi dan enkripsi.

Algoritme enkripsi dan dekripsi sebagai berikut:

${\displaystyle C_{i}=E_{K}(P_{i}\oplus P_{i-1}\oplus C_{i-1}),P_{0}\oplus C_{0}=IV}$ dan

${\displaystyle P_{i}=D_{K}(C_{i})\oplus P_{i-1}\oplus C_{i-1},P_{0}\oplus C_{0}=IV.}$

PCBC dipakai dalam Kerberos v4 dan WASTE. Pada pesan yang dienkripsi dalam mode PCBC, meski dua blok tersandi yang bersebelahan ditukar, dekripsi blok-blok selanjutnya tidak terpengaruh.^[13] Karena itulah, PCBC tidak dipakai dalam Kerberos v5.

Umpan balik penyandian (CFB)

CFB sederhana

CFB
Umpan balik penyandian Cipher feedback
Enkripsi paralel	Tidak
Dekripsi paralel	Ya
Akses baca acak	Ya

Dalam bentuk sederhananya, mode umpan balik penyandian (CFB) menggunakan seluruh keluaran penyandian blok. Dalam bentuk ini, ia sangat mirip dengan CBC. Dekripsi CFB dalam bentuk ini hampir identik dengan enkripsi CBC yang dibalik urutannya:

${\displaystyle C_{i}=E_{K}(C_{i-1})\oplus P_{i},}$

${\displaystyle P_{i}=E_{K}(C_{i-1})\oplus C_{i},}$

${\displaystyle C_{0}={\text{IV}}.}$

CFB-1, CFB-8, CFB-64, CFB-128, dan lain-lain

NIST SP800-38A mendefinisikan CFB sesuai lebar bitnya.^[14]

"The CFB mode also requires an integer parameter, denoted s, such that 1 ≤ s ≤ b. In the specification of the CFB mode below, each plaintext segment (P_j) and ciphertext segment (C_j) consists of s bits. The value of s is sometimes incorporated into the name of the mode, e.g., the 1-bit CFB mode, the 8-bit CFB mode, the 64-bit CFB mode, or the 128-bit CFB mode."

Mode-mode ini akan memangkas keluaran penyandian blok yang dipakai.

${\displaystyle I_{0}={\text{IV}}}$

${\displaystyle I_{i}={\big (}(I_{i-1}<<s)+C_{i}{\big )}{\bmod {2}}^{b}}$

${\displaystyle C_{i}=\operatorname {MSB} _{s}{\big (}E_{K}(I_{i-1}){\big )}\oplus P_{i}}$

${\displaystyle P_{i}=\operatorname {MSB} _{s}{\big (}E_{K}(I_{i-1}){\big )}\oplus C_{i}}$

Umpan balik keluaran (OFB)

OFB
Umpan balik keluaran Output feedback
Enkripsi paralel	Tidak
Dekripsi paralel	Tidak
Akses baca acak	Tidak

Mode umpan balik keluaran mengubah penyandian blok menjadi penyandian aliran sinkron. Ia membangkitkan blok aliran kunci yang kemudian di-XOR dengan blok teks asal untuk mendapatkan blok teks tersandi. Seperti penyandian aliran lain, mengubah satu bit pada teks tersandi akan mengubah satu bit pada teks asal di tempat yang sama. Sifat ini membolehkan kode pembetul galat untuk bekerja meski belum dikenai enkripsi.

Karena sifat simetri operasi XOR, enkripsi dan dekripsinya sama.

${\displaystyle C_{j}=P_{j}\oplus O_{j}}$

${\displaystyle P_{j}=C_{j}\oplus O_{j}}$

${\displaystyle O_{j}=E_{K}(I_{j})}$

${\displaystyle I_{j}=O_{j-1}}$

${\displaystyle I_{0}={\text{IV}}}$

Pencacah (CTR)

CTR
Pencacah Counter
Enkripsi paralel	Ya
Dekripsi paralel	Ya
Akses baca acak	Ya

Catatan: Mode CTR (CTR mode atau CM) juga dikenal sebagai mode pencacah bilangan bulat (integer counter mode atau ICM) dan pencacah bilangan bulat tersegmentasi (segmented integer counter atau SIC).

Seperti OFB, mode pencacah mengubah penyandian blok menjadi penyandian aliran. Ia membangkitkan blok aliran kunci dengan mengenkripsi nilai pencacah selanjutnya. Mode CTR diperkenalkan oleh Whitfield Diffie dan Martin Hellman pada tahun 1979.^[15]

Perhatikan bahwa niai yang dipakai sekali (nonce) dalam diagram berikut sama dengan vektor inisialisasi (IV) dalam diagram lain.

Pencacah Galois (GCM)

GCM
Pencacah Galois Galois/Counter
Enkripsi paralel	Ya
Dekripsi paralel	Ya
Akses baca acak	Ya

GCM menggabungkan mode pencacah dengan mode Galois. Fitur utamanya adalah kemudahan komputasi paralel dalam perkalian medan Galois yang dipakai untuk autentikasi.

Referensi

1. NIST Computer Security Division's (CSD) Security Technology Group (STG) (2013). "Proposed modes". Cryptographic Toolkit. NIST. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2 April 2013. Diakses tanggal 14 April 2013.  Parameter |url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
2. Alfred J. Menezes; Paul C. van Oorschot; Scott A. Vanstone (1996). Handbook of Applied Cryptography. CRC Press. hlm. 228–233. ISBN 0-8493-8523-7.  Parameter |url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
3. "ISO/IEC 10116:2006 – Information technology – Security techniques – Modes of operation for an n-bit block cipher". ISO Standards Catalogue. 2006. Diarsipkan dari versi asli tanggal 17 Maret 2012.  Parameter |url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
4. NIST Computer Security Division's (CSD) Security Technology Group (STG) (2013). "Block cipher modes". Cryptographic Toolkit. NIST. Diarsipkan dari versi asli tanggal 6 November 2012. Diakses tanggal 12 April 2013.  Parameter |url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
5. Ferguson, N.; Schneier, B.; Kohno, T. (2010). Cryptography Engineering: Design Principles and Practical Applications. Indianapolis: John Wiley & Sons. hlm. 63–64. ISBN 978-0-4704-7424-2. 
6. "Recommendation for Block Cipher Modes of Operation" (PDF). NIST.gov. NIST. hlm. 9. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 29 Maret 2017. Diakses tanggal 1 April 2017.  Parameter |url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
7. Menezes, Alfred J.; van Oorschot, Paul C.; Vanstone, Scott A. (2018). Handbook of Applied Cryptography. hlm. 228. 
8. Dam, Kenneth W.; Lin, Herbert S. (1996). Cryptography's Role in Securing the Information Society. hlm. 132. 
9. Schneier, Bruce (2015). Applied Cryptography: Protocols, Algorithms and Source Code in C. hlm. 208. 
10. US 4074066, William F. Ehrsam, Carl H. W. Meyer, John L. Smith, dan Walter L. Tuchman, "Message verification and transmission error detection by block chaining", diterbitkan tanggal 1976 
11. "Kryptographie FAQ: Frage 84: What are the Counter and PCBC Modes?". www.iks-jena.de. Diarsipkan dari versi asli tanggal 16 Juli 2012. Diakses tanggal 28 April 2018.  Parameter |url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
12. Kaufman, C.; Perlman, R.; Speciner, M. (2002). Network Security (edisi ke-2). Upper Saddle River: Prentice Hall. hlm. 319. ISBN 0130460192. 
13. Kohl, J. (1990). "The Use of Encryption in Kerberos for Network Authentication" (PDF). Proceedings, Crypto '89. Berlin: Springer. ISBN 0387973176. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 12 Juni 2009.  Parameter |url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
14. Morris Dworkin (NIST) (2001). "SP 800-38A, Recommendation for Block Cipher Modes of Operation: Methods and Techniques" (PDF). csrc.nist.gov. doi:10.6028/NIST.SP.800-38A. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 28 Agustus 2017. Diakses tanggal 28 April 2018.  Parameter |url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
15. Lipmaa, Helger; Wagner, David; Rogaway, Phillip (2000). "Comments to NIST concerning AES Modes of Operations: CTR-Mode Encryption" (PDF). Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 26 Februari 2015.  Parameter |url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)