Desain DES dan Sandi Lucifer

Pada 1971, Horst Feistel di IBM Research mengembangkan sebuah sandi bernama Lucifer sebagai bagian dari proyek keamanan perbankan untuk Lloyd's of London. Lucifer merupakan salah satu sandi blok modern pertama, dengan kunci 128 bit dan blok 128 bit.

Lucifer menunjukkan bahwa sandi blok yang kuat dapat dibangun menggunakan struktur Feistel: putaran substitusi dan permutasi yang dilakukan secara bergantian pada separuh blok. Sandi ini merupakan leluhur langsung DES.

DES menerapkan 16 putaran struktur Feistel pada blok 64 bit. Dalam setiap putaran, blok 64 bit dibagi menjadi dua bagian berukuran 32 bit. Bagian kanan diperluas menjadi 48 bit, di-XOR-kan dengan subkunci 48 bit, diproses melalui kotak-S, dipermutasi, lalu di-XOR-kan dengan bagian kiri.

Kedua bagian tersebut kemudian ditukar dan prosesnya diulangi. Setelah 16 putaran, permutasi akhir menghasilkan teks sandi 64 bit. Dekripsi menjalankan struktur yang sama dengan subkunci dalam urutan terbalik.

DES mengenkripsi data dalam blok berukuran 64 bit (8 bita). Ukuran blok tetap ini sesuai untuk perangkat keras tahun 1977, tetapi kemudian menjadi kelemahan keamanan. Dengan data yang cukup banyak, kolisi paradoks ulang tahun menjadi mungkin terjadi.

Pada blok 64 bit, pola statistik mulai muncul setelah sekitar 2^32 blok (~32GB data yang dienkripsi menggunakan kunci yang sama). Serangan Sweet32 ini membuat 3DES tidak aman untuk lalu lintas bervolume tinggi seperti HTTPS.

DES menggunakan kunci 64 bit, tetapi 8 bit di antaranya merupakan bit paritas yang digunakan untuk mendeteksi kesalahan, bukan untuk enkripsi. Oleh karena itu, panjang kunci efektifnya hanya 56 bit.

Artinya, hanya ada 2^56 (sekitar 72 kuadriliun) kemungkinan kunci DES. Menurut standar tahun 1977, jumlah ini dianggap memadai. Pada 1997, kunci tersebut terbukti dapat dipecahkan oleh lawan yang gigih.

DES dimulai dengan permutasi awal (IP) yang mengatur ulang 64 bit dari blok teks biasa, lalu diakhiri dengan permutasi akhir (IP^-1) yang merupakan invers tepatnya. Permutasi ini tidak menambah kekuatan kriptografis.

Permutasi tersebut dirancang untuk efisiensi perangkat keras pada arsitektur cip tertentu pada tahun 1970-an, sehingga bit dapat dimuat lebih cepat ke dalam register. Analisis modern memastikan bahwa permutasi ini tidak memberikan kontribusi apa pun terhadap keamanan.

Delapan kotak-S (kotak substitusi) merupakan inti sifat nonlinier DES. Setiap kotak-S menerima masukan 6 bit dan menghasilkan keluaran 4 bit menggunakan tabel pencarian tetap. Dua bit terluar memilih baris, sedangkan empat bit bagian dalam memilih kolom.

Tanpa sifat nonlinier yang diberikan oleh kotak-S, DES akan menjadi sandi yang sepenuhnya linier dan mudah dipecahkan menggunakan aljabar linier. Rancangan khusus kotak-S DES tahan terhadap analisis kriptografis diferensial.

Setelah kotak-S, DES menerapkan permutasi kotak-P yang mengatur ulang 32 bit keluaran dari kotak-S. Proses ini menyediakan difusi dengan menyebarkan keluaran setiap kotak-S agar memengaruhi beberapa kotak-S pada putaran berikutnya.

Kotak-P dirancang dengan cermat untuk memaksimalkan difusi: setiap bit keluaran dari satu kotak-S memengaruhi setidaknya dua kotak-S berbeda pada putaran berikutnya, sehingga memastikan efek longsoran yang cepat.

DES menghasilkan 16 subkunci berbeda berukuran 48 bit dari kunci utama berukuran 56 bit, masing-masing untuk satu putaran. Penjadwalan kunci dimulai dengan menerapkan pilihan terpermutasi (PC-1) untuk menghapus bit paritas dan mengatur ulang bit-bit kunci.

Ke-56 bit tersebut dibagi menjadi dua bagian berukuran 28 bit, yang diputar ke kiri sebanyak 1 atau 2 posisi pada setiap putaran. Kemudian, pilihan terpermutasi (PC-2) memilih 48 dari 56 bit untuk membentuk subkunci setiap putaran.

NSA bekerja sama dengan IBM selama pengembangan DES, mengurangi panjang kunci dari 128 bit pada sandi Lucifer menjadi 56 bit dan mengubah desain kotak substitusi. Hal ini memicu kontroversi selama puluhan tahun mengenai kemungkinan adanya pintu belakang.

Pada 1990-an, pejabat NSA mengonfirmasi bahwa mereka telah memperkuat kotak substitusi terhadap kriptanalisis diferensial, teknik yang ditemukan IBM pada 1974. NSA telah mengetahui kriptanalisis diferensial selama bertahun-tahun sebelum kalangan akademis, sehingga ada dugaan bahwa mereka membuat DES lebih tahan terhadap serangan, bukan lebih lemah.

DES diadopsi sebagai Federal Information Processing Standard 46 pada Januari 1977 setelah proses evaluasi yang kompetitif. DES menjadi sandi standar untuk data pemerintah yang tidak tergolong rahasia dan diadopsi secara luas oleh sektor perbankan dan industri.

Standardisasi DES memiliki arti penting dalam sejarah: DES merupakan algoritma kriptografi pertama yang tersedia untuk umum dan didukung oleh pemerintah. DES mendorong pengembangan implementasi perangkat keras serta menjadi acuan bagi proses standardisasi sandi di masa mendatang.

DES sendiri merupakan sandi blok yang mengenkripsi tepat 64 bit sekaligus. Pesan nyata berukuran lebih panjang, sehingga mode operasi menentukan cara menerapkan sandi pada beberapa blok. Mode yang umum meliputi ECB (mengenkripsi setiap blok secara terpisah), CBC (menerapkan XOR pada setiap blok dengan teks tersandi sebelumnya sebelum mengenkripsinya), CFB, OFB, dan CTR.

ECB merupakan mode yang paling lemah: blok teks terang yang identik menghasilkan blok teks tersandi yang identik, sehingga menciptakan pola yang terlihat. Mode CBC dan CTR menghilangkan kelemahan ini dan lebih disarankan untuk penggunaan DES dan 3DES secara praktis.

Ujilah pengetahuan Anda tentang parameter desain DES.

DES berkembang dari sandi Lucifer milik IBM menjadi sandi Feistel 16 putaran dengan blok berukuran 64 bit dan kunci efektif berukuran 56 bit. Keamanannya berasal dari 8 kotak substitusi nonlinier yang memberikan konfusi, kotak permutasi yang memberikan difusi, serta 16 putaran yang memperkuat efek longsoran.

Keterlibatan NSA dalam desain kotak substitusi memang kontroversial, tetapi pada akhirnya meningkatkan ketahanan terhadap kriptanalisis diferensial. Kunci DES berukuran 56 bit, yang dirancang untuk perangkat keras tahun 1977, terbukti tidak memadai pada akhir 1990-an.