RC4 STREAM CIPHER

Oleh : Budi Sukmawan, Sept. 1998

Algoritma

RC4 merupakan salah satu jenis stream cipher, yaitu memproses unit atau input data pada satu saat. Unit atau data pada umumnya sebuah byte atau bahkan kadang kadang bit (byte dalam hal RC4). Dengan cara ini enkripsi atau dekripsi dapat dilaksanakan pada panjang yang variabel. Algoritma ini tidak harus menunggu sejumlah input data tertentu sebelum diproses, atau menambahkan byte tambahan untuk mengenkrip. Contoh stream cipher adalah RC4, Seal, A5, Oryx, dll. Tipe lainnya adalah block cipher yang memproses sekaligus sejumlah tertentu data (biasanya 64 bit atau 128 bit blok), contohnya : Blowfish, DES, Gost, Idea, RC5, Safer, Square, Twofish, RC6, Loki97, dll.

RC4 merupakan enkripsi stream simetrik proprietary yang dibuat oleh RSA Data Security, Inc (RSADSI). Penyebarannya diawali dari sebuah source code yang diyakini sebagai RC4 dan dipublikasikan secara 'anonymously' pada tahun 1994. Algoritma yang dipublikasikan ini sangat identik dengan implementasi RC4 pada produk resmi. RC4 digunakan secara luas pada beberapa aplikasi dan umumnya dinyatakan sangat aman. Sampai saat ini diketahui tidak ada yang dapat memecahkan/membongkarnya, hanya saja versi ekspor 40 bitnya dapat dibongkar dengan cara "brute force" (mencoba semua kunci yang mungkin). RC4 tidak dipatenkan oleh RSADSI, hanya saja tidak diperdagangkan secara bebas (trade secret).

Algoritma RC4 cukup mudah untuk dijelaskan. RC4 mempunyai sebuah S-Box, S₀,S₁,...,S₂₅₅, yang berisi permutasi dari bilangan 0 sampai 255, dan permutasi merupakan fungsi dari kunci dengan panjang yang variabel. Terdapat dua indeks yaitu i dan j, yang diinisialisasi dengan bilangan nol. Untuk menghasilkan random byte langkahnya adalah sebagai berikut :

i = ( i + 1 ) mod 256

j = ( j + S_i ) mod 256

swap S_i dan S_j

t = (S_i + S_j) mod 256

K = S_t

Byte K di XOR dengan plainteks untuk menghasilkan cipherteks atau di XOR dengan cipherteks untuk menghasilkan plainteks. Enkripsi sangat cepat kurang lebih 10 kali lebih cepat dari DES.

Inisialisasi S-Box juga sangat mudah. Pertama isi secara berurutan S₀ = 0, S₁ = 1,...,S₂₅₅ = 255. Kemudian isi array 256 byte lainnya dengan kunci yang diulangi sampai seluruh array K₀, K₁,...,K₂₅₅ terisi seluruhnya. Set indeks j dengan nol, Kemudian lakukan langkah berikut :

for i = 0 to 255

j = (j + S_i + Ki) mod 256

swap S_i dan S_j

Salah satu kelemahan dari RC4 adalah terlalu tingginya kemungkinan terjadi tabel S-box yang sama, hal ini terjadi karena kunci user diulang-ulang untuk mengisi 256 bytes, sehingga 'aaaa' dan 'aaaaa' akan menghasilkan permutasi yang sama. Untuk mengatasi ini maka pada implementasinya nanti kita menggunakan hasil hash 160 bit SHA dari password kita untuk mencegah hal ini terjadi. Kekurangan lainnya ialah karena enkripsi RC4 adalah XOR antara data bytes dan pseudo-random byte stream yang dihasilkan dari kunci, maka penyerang akan mungkin untuk menentukan beberapa byte pesan orisinal dengan meng-XOR dua set cipher byte, bila beberapa dari pesan input diketahui (atau mudah untuk ditebak). Untuk mengatasinya pada aplikasinya kita menggunakan initialization vector (IV) yang berbeda-beda untuk setiap data, sehingga bahkan untuk file yang sama akan dihasilkan ciphertext yang berbeda. IV ini tidak perlu dirahasikan karena digunakan hanya agar setiap proses enkripsi akan menghasilkan ciphertext yang berbeda.

Untuk lebih meningkatkan keamanan dari metoda ini penulis juga mengembangkan inisialisasi kunci yang baru yang kita sebut saja inisialisasi SK (strengtened key), pada proses ini kunci user di-expand hingga 260 byte (tetapi kemudian hanya 256 byte saja yang digunakan) dengan menggunakan SHA-1, caranya pertama kunci user dijadikan kunci, kemudian 1-20 byte pertama pada buffer diproses dengan SHA kemudian digestnya diletakan pada 20 byte pertama, kemudian diambil byte 1-40 diproses dengan SHA dan hasilnya diletakan mulai pada byte 20, berikutnya byte 1-60 hasilnya diletakkan pada mulai byte 40, dan seterusnya. Kemudian buffer ini dienkrip dengan RC4, lalu buffer dijadikan kunci kembali, proses terakhir ini diulang sebanyak 16 kali untuk mencoba mencampur dengan baik sehingga dihasilkan kunci yang se-random mungkin. Untuk lebih jelas tetang proses ini dapat dilihat pada listing. Penggunaan SHA pada proses inisialisasi kunci bukanlah hal yang baru, hal ini dapat dilihat pada proses inisialisasi kunci SEAL misalnya. Penggunaan proses primitif enkripsi pada inisialisasi kunci juga digunakan juga pada Blowfish ataupun Cobra-128. Secara teoritis dengan proses ini akan ekivalen dengan menggunakan kunci sebesar 2048 bit, walaupun penulis sendiri tidak yakin akan hal ini (mungkin pembaca ada yang bisa memberikan tanggapan). Metoda ini tampaknya sedikit lebih rumit dari pada inisialisasi kunci standar, tetapi pada Pentium 133 prosesnya hanya memerlukan waktu kurang sari 10ms saja. Metoda ini walaupun penulis anggap lebih kuat, tetapi belum teruji sehingga dalam penerapan aplikasinya penulis memberikan dua pilihan yaitu dengan metoda SK ini atau dengan metoda standar.

Performance

Kecepatan enkripsi dari RC4 cukup baik, hal ini terjadi karena proses enkripsinya yang cukup sederhana dan hanya melibatkan beberapa operasi saja per bytenya. Untuk lebih jelasnya penulis mencoba membandingkannya pada beberapa platform hardware. Kecepatan ini adalah kecepatan enkripsi di memori, karena dalam proses enkripsi file sesungguhnya melibatkan banyak faktor lain seperti interface IO, tipe Hardisk, dll. Hasil perbandingan ini dapat dilihat pada tabel, yang didapat dengan enkripsi 256 byte per blok sebanyak 20480 kali, atau setara dengan kurang lebih 5MB data.

Delphi 1.0 pada Windows for Workgroups 3.11

Delphi 4.0 pada Windows 95, kecuali Pentium Pro pada Windows NT 4.0 Server

Test dilakukan masing-masing sebanyak tiga kali kemudian hasilnya dirata-ratakan. Sebagai perbandingan kecepatan Blowfish adalah sekitar 2.300 KB/detik pada Pentium 133 (pada 8 byte per blok).

Aplikasi

Untuk mengimplementasikan metode diatas penulis membuat sebuah aplikasi sederhana untuk pengenkripan file. Aplikasi ini kita sebut saja PC-Crypt versi 1.0. Aplikasi ini dapat dicompile dengan semua versi Delphi. Aplikasi ini sengaja dibuat sesederhana mungkin, sehingga sangat mudah untuk digunakan. Pada aplikasi ini kita dapat memilih untuk menggunakan inisialisasi kunci standar (Standard Method) atau inisialisasi kunci yang sudah diperkuat (SK Method). Selain itu pada input kunci kita dapat memasukkan karakter karakter ASCII tertentu (0-255) dengan menggunakan karakter "\" (backslash), misalnya : "PassWord\25saya\23\112\245". Bila kita memasukkan angka lebih dari 255 maka akan di-mask dengan $FF sehingga hasilnya akan selalu dalam range 0-255. Sedangkan bila akan memasukkan karakater "\" dapat dilakukan dengan menginput "\\". Dengan cara ini dan dengan mencampur pemasukan password dengan huruf besar kecil, maka kerahasiaan password kita akan lebih terjaga. Hal lainnya adalah option untuk menghapus file sumber kita secara aman, terdapat tiga pilihan yaitu : Delete only, Simple Method, DoD+ Method. Pada Delete only file sumber akan dihapus begitu saja setelah operasi enkrip selesai. Untuk simple method data sumber (plaintext) akan ditimpa (di-rewrite) dengan bilangan random sebanyak satu kali (1 pass) kemudian dihapus. Sedangkan untuk DoD+ Method plaintext ditimpa dengan pola bit 11, kemudian pola bit 00, lalu dengan pola bit 1 dan 0 lalu ditimpa dengan bilangan random baru dihapus. Bila option ini dipilih pada saat pendekripan maka data ciphertext yang akan dihapus.

Keamanan

Bagaimana tingkat keamanan dengan kunci 160 bit ini? Bila kita anggap tidak ada kelemahan lain pada RC4 dan SHA maka untuk memecahkannya yang paling mungkin adalah dengan serangan "brute force", maka keamanan data tergantung sepenuhnya pada panjang kunci. Dengan 160 bits terdapat 2¹⁶⁰ kunci yang mungkin. Bila kita anggap rata-rata diperlukan setengahnya untuk mendapat kunci yang benar (kurang lebih 10⁴⁸ ). Lalu kita buat beberapa asumsi tentang peralatan yang digunakan untuk memecahkan kunci tersebut :

• Terdapat 1 milyar komputer yang digunakan.

• Setiap komputer digunakan sepenuhnya untuk memecahkan kunci tersebut.

• Setiap komputer dapat mencoba 1 milyar kunci per detik.

Dengan peralatan demikian maka dibutuhkan 10¹³ tahun untuk mendapatkan kunci tersebut. Ini sama dengan 1000 kali usia alam semesta! (sumber : Cryptext homepage).

Pengembangan

Bagi yang kreatif tentu dapat mengembangkan aplikasi ini seperti Cryptext misalnya, yang merupakan extension dari Windows 95/NT shell, yang juga menggunakan RC4 dan SHA. Untuk meningkatkan keamanan data dapat ditambahkan proses kompresi sebelum pengenkripan, karena cryptanalisys mengandalkan pada redundansi pada plainteks, mengkompresi sebelum enkripsi mengurangi redundansi ini. Pengembangan lainnya adalah dalam penghapusan data sumber, cara yang lebih aman adalah dengan menulis langsung ke hardisk tanpa melalui disk cache, karena ada kemungkinan data belum dituliskan semua ke-harddisk ketika dihapus (karena masih ada didalam cache). Untuk Win32 kita dapat melakukan ini dengan API CreateFile dengan flags FILE_FLAG_WRITE_THROUGH atau FILE_FLAG_NO_BUFFERING. Cara penghapusan lain yang lebih aman ialah dengan metoda yang dikembangkan oleh Peter Gutmann seperti pada SFS-nya (maka kita sebut saja metoda SFS). Dengan metoda SFS ini data di-rewrite sebanyak 35 kali dengam pola-pola bit tertentu, dengan cara ini diharapkan permukaan magnetis dari hardisk sama dengan diekpos dengan medan magnit. Tetapi dengan cara inipun menurutnya masih ada kemungkinan data masih dapat di-recover dengan peralatan hardware yang canggih (terutama untuk hardisk-hardisk lama dengan densitas yang rendah). Metoda penghapusan SFS ini mungkin akan penulis bahas pada artikel lain.

Penutup

Walaupun penulis telah berusaha mentest aplikasi ini seintensif mungkin, tetapi tentu saja tidak ada aplikasi yang sempurna, untuk itu bila terdapat bug atau error pembaca dapat menyempurnakannya sendiri karena semua source programnya tersedia. Dan walaupun masih sangat sederhana penulis berharap aplikasi ini dapat digunakan dan ada manfaatnya bagi pembaca sekalian.

Referensi :

1. BSAFE User Manual

2. Peter C. Gutmann, SFS 1.20 Document

3. Bruce Schneier, Applied Cryptography : Protocols, Algorithms, and Source Code in C, 2nd Edition