Algoritma Penyulitan Simetri

Penyulitan simetri menggunakan satu kunci dikongsi untuk menyulitkan dan menyahsulitkan data. Pengirim dan penerima mesti memiliki kunci rahsia yang sama, dan kunci tersebut perlu dilindungi dengan rapi — sesiapa yang memilikinya boleh menyahsulitkan data. Penyulitan simetri pantas dan cekap dari segi pengiraan, menjadikannya sesuai untuk menyulitkan jumlah data yang besar. Cabaran utama penyulitan simetri ialah pengagihan kunci: bagaimanakah dua pihak berkongsi kunci dengan selamat sebelum mereka mempunyai saluran yang selamat?

Advanced Encryption Standard (AES) ialah algoritma penyulitan simetri yang paling banyak digunakan pada masa ini, dan telah diterima pakai oleh NIST pada tahun 2001 sebagai pengganti DES. AES beroperasi pada blok 128-bit dan menyokong tiga saiz kunci: AES-128, AES-192 dan AES-256, dengan nombor tersebut menunjukkan panjang kunci dalam bit. AES-256 memberikan margin keselamatan yang paling kukuh. AES digunakan dalam TLS untuk HTTPS, penyulitan cakera penuh (BitLocker), penyulitan fail dan hampir setiap aplikasi moden yang selamat. Tiada kelemahan praktikal yang diketahui apabila AES dilaksanakan dengan betul.

Data Encryption Standard (DES) ialah algoritma simetri pertama yang digunakan secara meluas, dan distandardkan pada tahun 1977 dengan key 56-bit. Key 56-bit bermaksud hanya terdapat 2^56 kemungkinan key — pada tahun 1999, sebuah projek pengkomputeran teragih berjaya memecahkan mesej yang dienkripsikan dengan DES dalam masa kurang daripada 24 jam. DES kini dianggap telah dipecahkan dari segi kriptografi dan tidak boleh digunakan sama sekali untuk sistem baharu. DES masih penting untuk peperiksaan Security+ kerana memahami sebab DES gagal (panjang key yang tidak mencukupi) mengukuhkan pemahaman tentang sebab algoritma moden seperti AES menggunakan key 128-256 bit.

Triple DES (3DES atau TDEA) dicipta sebagai penyelesaian sementara bagi kelemahan DES dengan menggunakan algoritma DES sebanyak tiga kali pada setiap blok data. Penggunaan tiga key 56-bit yang berbeza memberikan kekuatan key berkesan sebanyak 112 bit, yang dianggap mencukupi sehingga awal tahun 2000-an. Walau bagaimanapun, 3DES jauh lebih perlahan berbanding AES (kerana encryption dilakukan tiga kali) dan terdedah kepada serangan birthday Sweet32 pada sambungan yang panjang. NIST secara rasmi menamatkan penggunaan 3DES pada tahun 2023. 3DES sedang digantikan oleh AES dalam semua aplikasi.

Algoritma simetri dikategorikan sebagai sifir blok atau sifir strim. Sifir blok (AES, DES) mengenkripsikan bahagian data bersaiz tetap (sebuah 'blok') — AES menggunakan blok 128-bit. Sifir strim mengenkripsikan data satu bit atau bait pada satu-satu masa menggunakan strim key, menjadikannya lebih pantas dan sesuai untuk komunikasi masa nyata. RC4 pernah menjadi sifir strim yang dominan, tetapi kini telah dipecahkan dan tidak lagi digunakan. ChaCha20 ialah sifir strim moden pilihan, yang digunakan dalam TLS 1.3 dan WireGuard kerana kelajuan serta keselamatannya pada perkakasan tanpa pemecutan AES.

Cara sifir blok mengendalikan berbilang blok data ditentukan oleh mod operasinya. ECB (Electronic Code Book) mengenkripsikan setiap blok secara berasingan, lalu menghasilkan teks sifir yang sama bagi blok teks biasa yang sama — keadaan ini dapat dilihat dengan jelas dalam demonstrasi imej 'Penguin ECB'. ECB tidak pernah selamat. CBC (Cipher Block Chaining) melakukan operasi XOR pada setiap blok teks biasa dengan blok teks sifir sebelumnya sebelum mengenkripsikannya, lalu menambahkan penyebaran. GCM (Galois/Counter Mode) menyediakan kedua-dua encryption dan pengesahan integriti (AEAD), serta merupakan mod pilihan dalam TLS 1.3.

Keselamatan algoritma encryption simetri berkait secara langsung dengan panjang key. Key yang lebih panjang bermaksud lebih banyak kombinasi yang mungkin dan usaha yang meningkat secara eksponen bagi penyerang brute force. Key 128-bit mempunyai 2^128 kombinasi yang mungkin — walaupun dengan satu bilion bilion cubaan sesaat, cubaan brute force akan mengambil masa lebih lama daripada usia alam semesta. NIST mengesyorkan key minimum 128-bit untuk encryption simetri dalam sistem baharu, manakala key 256-bit lebih disukai bagi aplikasi yang memerlukan keselamatan jangka panjang daripada ancaman pengkomputeran kuantum pada masa hadapan.

Kelemahan utama encryption simetri ialah pengurusan key. Keselamatan encryption hanya setara dengan keselamatan key tersebut. Cabaran pengurusan key termasuk: pengagihan key (berkongsi key secara selamat sebelum komunikasi), penyimpanan key (melindungi key ketika tidak digunakan menggunakan modul keselamatan perkakasan atau peti simpanan key), penggiliran key (menukar key secara berkala untuk mengehadkan pendedahan), dan pemusnahan key (memadam key dengan selamat apabila tidak lagi diperlukan). Pengurusan key yang lemah telah menyebabkan lebih banyak kegagalan encryption dalam dunia sebenar berbanding kelemahan matematik dalam algoritma itu sendiri.

AES ialah algoritma di sebalik alat encryption yang paling lazim digunakan setiap hari oleh profesional keselamatan. BitLocker (Windows) dan FileVault (macOS) menggunakan AES-128 atau AES-256 untuk mengenkripsikan keseluruhan volum cakera, sekali gus melindungi data jika komputer riba dicuri. VeraCrypt menyediakan encryption cakera merentas platform. AES-256-GCM digunakan oleh penyedia awan (AWS S3, Google Cloud) untuk mengenkripsikan objek ketika tidak digunakan. Memahami algoritma yang menjadi asas sesuatu produk membolehkan anda menilai sama ada pelaksanaan encryption itu sesuai dengan tahap kepekaan data.

Dua lagi algoritma simetri kerap muncul dalam bahan Security+. Blowfish (1993) ialah sifir blok dengan key yang panjangnya boleh berubah-ubah (32-448 bit), direka oleh Bruce Schneier sebagai alternatif domain awam kepada DES. Walaupun pantas dan percuma, saiz bloknya yang 64-bit menjadikannya terdedah kepada serangan birthday dalam sesi yang panjang. Twofish (1998) ialah salah satu finalis pertandingan AES, dengan sokongan key 128/192/256-bit dan saiz blok 128-bit. Walaupun kedua-duanya masih selamat, AES memenangi pertandingan NIST dan mendominasi pelaksanaan moden. Mengetahui algoritma ini membantu memberikan konteks kepada pemilihan AES.

Encryption simetri dan asimetri mempunyai peranan yang saling melengkapi. Encryption simetri (AES) adalah pantas dan sesuai untuk mengenkripsikan sejumlah besar data. Encryption asimetri (RSA) adalah perlahan, tetapi menyelesaikan masalah pengagihan key. Dalam amalan, kedua-duanya digabungkan: encryption asimetri digunakan untuk menukar key sesi simetri dengan selamat, kemudian encryption simetri mengendalikan semua pemindahan data pukal. Pendekatan hibrid ini menjadi asas TLS (HTTPS), VPN dan encryption e-mel PGP — menyediakan keselamatan pertukaran key asimetri serta kelajuan encryption data simetri.

Dalam pelajaran ini, anda mempelajari bahawa: encryption simetri menggunakan satu key yang dikongsi untuk encryption dan decryption; AES (128/192/256-bit) ialah standard semasa; DES (56-bit) telah dipecahkan dan tidak lagi digunakan; mod sifir blok (GCM ialah pilihan utama) menentukan cara blok dirangkaikan; dan pengurusan key ialah cabaran operasi utama. Seterusnya, kita akan meneroka Encryption Asimetri dan Pasangan Key.