Implementasi Disk Encryption Menggunakan Algoritma Rijndael

Implementasi Disk Encryption Menggunakan Algoritma Rijndael Elfira Yolanda S Laboratorium Ilmu dan Rekayasa Komputasi Program Studi Teknik Informatika, Sekolah Teknik Elektro dan Informatika, Institut Teknologi Bandung

e-mail: [email protected], [email protected] Abstrak Data dapat menjadi salah satu aset penting dalam kelangsungan hidup perusahaan mana pun. Salah satu teknik enkripsi yang ada yaitu disk encryption. Sebuah sistem disk encryption melibatkan wadah untuk menampung file-file yang ingin dienkripsi. Berdasarkan wadah tersebut, ada dua jenis disk encryption yaitu Entire Hard Disk (EHD) encryption, dengan enkripsi meliputi keseluruhan hard disk termasuk sistem operasinya, dan Virtual Hard Disk (VHD) encryption. Dalam sebuah sistem VHD encryption, sebuah virtual disk dapat dimunculkan dengan memberikan password yang tepat. Dengan fungsionalitas seperti layaknya disk drive biasa, perbedaan yang dimiliki virtual disk ini adalah bahwa tiap file yang dimasukkan ke dalamnya otomatis terenkripsi. Perangkat lunak dalam makalah tugas akhir ini mengimplementasikan VHD encryption pada sistem operasi Windows menggunakan algoritma Rijndael sebagai algoritma enkripsi. Kata kunci: disk encryption, Windows driver, virtual disk driver, Rijndael 1.

PENDAHULUAN

Data dapat menjadi salah satu aset penting dalam kelangsungan hidup perusahaan mana pun. Penyimpanan data memerlukan berbagai macam pertimbangan, terutama dari segi keamanannya. Penggunaan laptop/notebook saat ini menimbulkan masalah baru berkaitan dengan penyimpanan data tersebut. Mau tidak mau, perusahaan harus mengizinkan data penting mereka “berkeliaran” di luar. Untuk menyelesaikan masalah ini, enkripsi data sebaiknya dilakukan. Teknik enkripsi yang umum digunakan adalah enkripsi yang dilakukan pada file atau file encryption. Satu file yang diinginkan dienkripsi pada satu waktu. Teknik ini tidak efektif bila jumlah file yang harus dienkripsi banyak. Disk encryption merupakan alternatif enkripsi data selain file encryption. Enkripsi ini disebut juga enkripsi volume (volume encryption). Penggunaan kata volume dikarenakan enkripsi ini seakan-akan dilakukan pada area tertentu. Area itu menjadi sebuah volume/ kontainer yang dapat digunakan untuk menyimpan file-file penting. Berdasarkan besarnya volume tersebut, disk encryption dapat digolongkan menjadi dua

yakni entire hard disk encryption (EHD encryption), yang proses enkripsinya meliputi seluruh wilayah hard disk termasuk sistem operasinya, dan virtual hard disk encryption (VHD encryption). VHD encryption lebih mudah untuk diimplementasikan karena tidak tergantung pada jenis hardware tertentu karena enkripsi dikenakan hanya pada sebagian wilayah hard disk saja [REF04]. Dengan alasan itulah, tugas akhir ini memilih sistem tersebut. Mengenai cara kerja VHD encryption, pada dasarnya, sistem ini mengizinkan pengguna untuk membuat sebuah file volume, yaitu sebuah file yang menyimpan konfigurasi dan data disk yang terenkripsi. Sebuah virtual disk akan dimunculkan jika pengguna memberikan password yang tepat untuk membuka file volume tadi. Virtual disk yang muncul tidak berbeda dengan disk biasa, dapat digunakan untuk menyimpan file. File yang tersimpan di dalamnya pun dapat diperlakukan seperti layaknya bila tersimpan pada disk yang lain, yakni dapat di-copy, di-paste, di-delete, dan sebagainya. Satu perbedaan antara virtual disk ini dengan disk biasa adalah seluruh data yang

disimpan pada disk ini secara otomatis dan transparan akan dienkripsi. Pada saat melakukan enkripsi terhadap data yang disimpan di dalamnya, disk encryption bekerja dengan blok bit. Oleh karena itu untuk membangun sistem enkripsi seperti ini, algoritma enkripsi yang dipakai adalah algoritma yang bekerja dengan blok bit juga. Jenis algoritma seperti itu dinamakan cipher blok (block cipher). Rangkaian bit plainteks/cipherteks yang akan dienkripsi atau didekripsi dibagi menjadi blokblok bit yang panjangnya sama dan sudah ditentukan sebelumnya[MUN04]. Banyak algoritma kriptografi cipher blok yang sudah pernah dipublikasikan. Salah satu algoritma kriptografi cipher blok yang terbaru adalah algoritma Rijndael. Algoritma ini adalah pemenang sayembara terbuka yang diadakan oleh NIST (National Institute of Standards and Technology) pada tahun 2001. Algoritma Rijndael menjadi standard kriptografi yang dominan paling sedikit selama 10 tahun [MUN04]. Kenyataan bahwa algoritma Rijndael merupakan algoritma kriptografi cipher blok yang masih baru dan belum dinyatakan tidak aman adalah dasar pemilihan algoritma ini menjadi algoritma enkripsi pada topik tugas akhir ini. Alasan lain untuk memilih algoritma Rijndael adalah algoritma ini sudah terbukti dapat diimplementasikan untuk aplikasi disk encryption. Pembangunan sebuah perangkat lunak disk encyrption sejak awal didasarkan pada pilihanpilihan komponen yang membentuknya. Dengan jenis virtual hard disk encryption, algoritma Rijndael, perangkat lunak disk encryption yang dibangun diharapkan dapat memberikan faktor keamanan yang cukup kuat sambil menjaga performansi tetap tinggi dan dapat digunakan secara luas. Komponen lain yang perlu dipertimbangkan dalam implementasi disk encryption ini adalah sistem operasi yang digunakan. Microsoft Windows yang sudah dikenal luas menjadi pilihan sistem operasi untuk implementasi disk encryption ini.

2. ALGORITMA RIJNDAEL [MUN04] Algoritma Rijndael adalah pemenang sayembara terbuka yang diadakan oleh NIST (National Institute of Standards and Technology) untuk membuat standard algoritma kriptografi yang

baru sebagai pengganti Data Encryption Standard (DES). DES sudah dianggap tidak aman terutama karena panjang kunci yang relatif pendek sehingga mudah dipecahkan menggunakan teknologi saat ini. Algoritma Rijndael menggunakan substitusi, permutasi, dan sejumlah putaran yang dikenakan pada tiap blok yang akan dienkripsi/dekripsi. Untuk setiap putarannya, Rijndael menggunakan kunci yang berbeda. Kunci setiap putaran disebut round key. Tetapi tidak seperti DES yang berorientasi bit, Rijndael beroperasi dalam orientasi byte sehingga memungkinkan untuk implementasi algoritma yang efisien ke dalam software dan hardware. Ukuran blok untuk algoritma Rijndael adalah 128 bit (16 byte). Algoritma Rijndael dapat mendukung panjang kunci 128 bit sampai 256 bit dengan step 32 bit. Panjang kunci berpengaruh pada jumlah putaran yang dikenakan pada tiap blok. Misalnya, untuk ukuran blok dan panjang kunci sebesar 128 bit ditentukan 10 putaran, sedangkan untuk ukuran blok 128 bit dan panjang kunci 256 bit jumlah putaran yang ditentukan adalah 14 putaran. Algoritma Rijndael mempunyai 3 parameter sebagai berikut: 1. plainteks: array yang berukuran 16 byte, yang berisi data masukan. 2. cipherteks: array yang berukuran 16 byte, yang berisi hasil enkripsi. 3. key: array yang berukuran 16 byte (untuk panjang kunci 128 bit), yang berisi kunci ciphering (disebut juga cipher key). Dengan 16 byte, maka baik blok data dan kunci yang berukuran 128-bit dapat disimpan di dalam ketiga array tersebut (128 = 16 x 8). Selama kalkulasi plainteks menjadi cipherteks, status sekarang dari data disimpan di dalam array of byte dua dimensi, state, yang berukuran NROWS x NCOLS. Elemen array state diacu sebagai S[r,c], dengan 0 ≤ r < 4 dan 0 ≤ c < Nc (Nc adalah panjang blok dibagi 32). Pada AES, Nc = 128/32 = 4. Tiap elemen dari array state diisi dengan 8 bit teks (1 byte) dalam notasi HEX. Contoh pengisian array state dapat dilihat pada Gambar 1

19

a0

9a

e9

3d

f4

c6

f8

e3

e2

8d

48

be

2b

2a

08

3. MixColumns (Gambar 5)

19 = 00011001 (1 byte pertama) 3d = 00111101 (1 byte kedua), dst. Gambar 1 Ilustrasi Pengisian array state

Bagian selanjutnya akan menjelaskan lebih lanjut perlakuan-perlakuan yang dikenakan pada array state tersebut dari awal yang berisi salinan plainteks sampai menghasilkan cipherteks. 2.1. Proses Enkripsi Rijndael

Mengacak array state dengan cara melakukan perkalian matriks yang merupakan transformasi dari perkalian polinom antara tiap kolom dengan polinom 4 suku pada GF(28), a(x) mod (x4 + 1) 4. AddRoundKey (Gambar 6) melakukan XOR antara array state sekarang dengan round key.

Gambar 3 Ilustrasi Transformasi SubBytes Tabel 1 Tabel S-Box untuk SubBytes

Plain Text

Initial Round AddRoundKey

Standard Round 1-ByteSub 2-ShiftRow 3-MixColumn 4-AddRoundKey

Final Round 1-ByteSub 2-ShiftRow 3-AddRoundKey

Cipher Text

⊕ Cipher Key

Nr – 1 Rounds ⊕ Round Key Nn

⊕ Round Key Nr

n : putaran ke

Gambar 2 Skema Enkripsi Rijndael Skema enkripsi Rijndael dapat dilihat pada Gambar 2. Pada intinya, tiap blok masukan (array state) dikenakan empat fungsi utama berikut: 1. SubBytes (Gambar 3) Melakukan substitusi menggunakan tabel SBox. 2. ShiftRows (Gambar 4) Menggeser baris ke-r dalam array state sebanyak r byte ke kiri.

Gambar 4 Ilustrasi Transformasi ShiftRows

3.

ANALISIS

Untuk membuat sebuah sistem disk encyrption, ada dua masalah yang harus diselesaikan, yaitu membuat virtual disk dan menyelipkan enkripsi di dalamnya. Sebelum sampai pada jawaban masalah tersebut, Gambar 8 menunjukkan proses-proses yang terdapat dalam sebuah sistem disk encryption.

Gambar 5 Ilustrasi MixColumns

Gambar 6 Ilustrasi AddRoundKey

Sistem disk encryption dalam tugas akhir ini menggunakan dua buah file, yaitu file volume dan file header. File volume merupakan file yang menjadi wadah virtual disk. Tiap file yang nantinya akan dimasukkan ke dalam virtual disk sebenarnya tertulis dalam file ini. Sedangkan file header adalah file yang menyimpan informasi mengenai virtual disk. Yang perlu diperhatikan adalah ketiga proses yang berkaitan dengan virtual disk berhubungan dengan pengguna Sistem Operasi. Hal tersebut disebabkan pemunculan virtual disk membutuhkan komponen kernel mode dalam sistem operasi.

2.2. Proses Dekripsi Rijndael Proses dekripsi Rijndael dapat dilihat pada Gambar 7. Cipher Text

Initial Round AddRoundKey

Standard Round 1-InvShiftRow 2-InvByteSub 3-AddRoundKey 4-InvMixColumn

Final Round 1-InvShiftRow 2-InvByteSub 3-AddRoundKey

Plain Text

⊕ Cipher Key

Nr – 1 Rounds ⊕ Round Key Nn

⊕ Round Key Nr

n : putaran ke

Gambar 7 Skema Dekripsi Rijndael

Gambar 8 Use Case Kernel dan user mode merupakan dua komponen yang terdapat dalam sistem operasi. Perbedaan keduanya adalah hak akses terhadap hardware dan fitur-fitur sistem operasi. Sistem disk emcryption membutuhkan kernel mode untuk mengakses hard disk secara langsung dan merepresentasikannya sebagai virtual disk. Gambar 9 memperlihatkan modul-modul yang ada dalam sistem disk encryption, baik dalam user maupun kernel mode.

Selain untuk memicu fungsi driver tertentu, fungsi DeviceIoControl juga dapat dimanfaatkan untuk mengirimkan informasi yang diperlukan untuk melakukan fungsi tersebut maupun menerima hasil fungsi driver. Parameter yang berkaitan adalah lpInBuffer dan nInBufferSize untuk masukan pada driver serta lpOutBuffer dan nOutBufferSize untuk menampung hasil dari driver. Gambar 9 Modul-modul disk encryption

3.1. Menciptakan Virtual Disk Untuk memunculkan sebuah virtual disk, diperlukan peran dari komponen user mode dan kernel mode. Aplikasi Pengguna yang bergerak dalam user mode dapat menerima informasi seperti nama file volume, ukuran virtual disk, juga nama drive yang diinginkan. Informasi itu diberikan oleh pengguna Kemudian, aplikasi pengguna bertugas memberi tahu virtual disk driver untuk membuat virtual disk dengan spesifikasi yang telah diberikan dengan memanggil fungsi Windows API yang sesuai. Fungsi Windows API yang digunakan adalah DeviceIoControl. Parameter yang digunakan fungsi ini adalah sebagai berikut: BOOL DeviceIOControl( HANDLE hDevice, DWORD dwIoControlCode, LPVOID lpInBuffer, DWORD nInBufferSize, LPVOID lpOutBuffer, DWORD nOutBufferSize, LPDWORD lpBytesReturned, LPOVERLAPPED lpOverlapped ); Penanganan request yang berasal dari komponen user mode melalui Windows API merupakan salah satu fungsi utama driver. Untuk kepentingan request tersebut, driver memiliki control code yang spesifik untuk melakukan operasi-operasi yang menjadi fungsionalitasnya. Control code tersebut akan menjadi masukan DeviceIoControl pada parameter dwIoControlCode. Pada kasus virtual disk, Aplikasi Pengguna akan mengirimkan kode untuk menciptakan virtual disk kepada driver pada saat menu mount dipilih.

Setelah mendapatkan kode untuk menciptakan virtual disk dan informasi yang dibutuhkan, driver melakukan pemeriksaan berkaitan dengan virtual disk yang akan dibuat, seperti kapasitas hard disk yang masih mencukupi atau tidak. Apabila file volume sukses dibuat, driver akan menciptakan sebuah device yang dihubungkan dengan file volume tersebut. Untuk memunculkan virtual disk, device akan diemulasikan sebagai hard disk dengan memasukkan parameter tertentu pada fungsi penciptaan device. Bersamaan dengan penciptaan device tersebut, sebuah thread akan diikutsertakan selama device tersebut ada. Untuk kasus virtual disk, thread tersebut akan ada selama virtual disk muncul. Sub bab berikut akan membahas lebih lanjut mengenai thread dalam virtual disk driver.

3.2. Thread dalam Virtual Disk Thread adalah satuan unit eksekusi. Thread memiliki tingkat prioritas yang mempengaruhi persaingan untuk mendapatkan waktu kendali atas prosesor. Semakin tinggi tingkat prioritasnya, semakin cepat thread tersebut dapat menggunakan CPU. Untuk virtual disk driver, sebuah thread disediakan untuk menangani proses-proses yang perlu dilakukan selama virtual disk berjalan. Prioritas thread tersebut diatur sedemikian rupa sehingga selama virtual disk masih ada, alokasi CPU akan diberikan untuk thread driver tersebut untuk memeriksa apakah ada I/O request terhadap virtual disk atau apakah ada permintaan untuk melakukan unmount. Apabila terdapat permintaan untuk melakukan unmount, thread akan dihentikan. [BAK00] I/O request yang diterima virtual disk driver dapat berupa pembacaan maupun penulisan virtual disk. Dengan penggunaan thread seperti itu, akses terhadap hard disk maupun proses baca

– tulis virtual disk dapat dilaksanakan dalam waktu yang lebih singkat. 4.

mengenai virtual disk. Gambar 10 berikut merupakan skema file header:

PERANCANGAN

Poin – poin perancangan yang perlu diperhatikan di antaranya perancangan menu interaksi, pembuatan file header dan penyelipan proses enkripsi dan dekripsi pada virtual disk. 4.1. Perancangan Menu Interaksi Interaksi dengan pengguna untuk perangkat lunak tugas akhir adalah melalui command line. Sintaks yang digunakan: 1. Untuk melakukan mount TA –a –t file –m [drive:] –f [file volume] –h [file header] –s [ukuran file volume] –u [nomor unit]

keterangan: [drive:] : nama drive untuk virtual disk [file volume] : alamat file volume [file header] : alamat file header [ukuran file volume] : ukuran file volume [nomor unit] : nomor virtual disk Sintaks ini digunakan baik setiap akan melakukan mount terhadap virtual disk, baik saat pertama kali (dengan membuat file volume dan file header terlebih dahulu) maupun selanjutnya. Contoh penggunaan: TA –a –t file –m z: –f c:\file1.img –h c:\file1.header – s 10M

2. Untuk melakukan unmount TA –d – u [nomor unit]

keterangan: [drive:] : nama drive untuk virtual disk [nomor unit] : nomor virtual disk Contoh penggunaan: TA –d –u 1

4.2. File Header Bagian ini khusus membahas file header yaitu file yang menyimpan informasi penting

Gambar 10 Skema File Header File header merupakan string yang terdiri dari salt dan informasi virtual disk. Salt merupakan bit-bit acak yang digunakan bersama dengan kunci yang diberikan pengguna untuk menurunkan kunci header. Aturan yang digunakan untuk menurunkan kunci header mengikuti aturan PKCS #5 yang dikeluarkan oleh laboratorium RSA [RSA99]. Penggunaan bit-bit acak atau salt dalam PKCS #5 bertujuan meningkatkan jumlah kemungkinan kunci yang bisa diturunkan sehingga tidak mudah ditebak. Kunci header dibutuhkan untuk melakukan enkripsi informasi virtual disk pada saat file header pertama kali diciptakan. Selanjutnya, kunci ini digunakan untuk mendekripsi informasi virtual disk saat virtual disk akan di-mount. Apabila kunci header yang diturunkan tepat, bagian pertama dari informasi virtual disk yang terdekripsi akan memberikan hasil “TRUETRUETRUETRUE”. Kemudian informasi selebihnya, yaitu nama file volume dan kunci enkripsi virtual disk, dapat diekstrak.

4.3. Enkripsi/Dekripsi pada Virtual Disk Modul Virtual Disk Driver bertanggung jawab untuk berhubungan dengan hard disk untuk membuat file volume, merepresentasikan file volume tersebut sebagai virtual disk, mengolah tiap modifikasi yang dilakukan dan menutup virtual disk kembali. Untuk pengerjaan tugas akhir ini, virtual disk driver yang digunakan adalah ImDisk (http://www.ltrdata.se/opencode.html#ImDisk) oleh Olof Lagerkvist. Enkripsi dan dekripsi diikutsertakan dalam proses tulis dan baca terhadap virtual disk menggunakan impelementasi algoritma Rijndael berdasarkan AESLib dalam Encrypt It (http://msdn.microsoft.com/msdnmag/issues/03/ 11/aes/default.aspx).

5.

IMPLEMENTASI

terdekripsi. Dengan demikian, data yang tersimpan dalam virtual disk dinyatakan aman.

5.1. Lingkungan Implementasi 7. Spesifikasi perangkat keras yang digunakan selama pengerjaan tugas akhir adalah sebagai berikut: 1. Prosesor Intel Celeron 1.73 GHz 2. RAM 512 Mb 3. Hard Disk Toshiba 80 GB 4. Perangkat keluaran berupa monitor 5. Perangkat masukan berupa papan kunci dan tetikus

KESIMPULAN

Batasan yang didefinisikan untuk implementasi disk encryption ini adalah disk encryption system ini tidak memberikan perlindungan keamanan terhadap keberadaan file volume. Segala bentuk modifikasi, termasuk penghapusan file volume maupun pemindahan lokasi file volume, tidak ditangani.

Beberapa kesimpulan yang dapat diambil dari implementasi disk encryption menggunakan algoritma Rijndael ini adalah: 1. Virtual disk pada sistem operasi Windows dapat dibuat dengan berbagai cara, di antaranya memanfaatkan sebagian memori dan merepresentasikannya sebagai virtual disk. Namun, cara tersebut tidak memberikan hasil yang memuaskan karena isi virtual disk akan hilang sejalan dengan penutupan virtual disk. Cara yang lebih aman adalah menggunakan file sebagai kontainer isi virtual disk. File tersebut, yang diberi nama file volume, akan direpresentasikan sebagai virtual disk. 2. Proses representasi file volume sebagai virtual disk membutuhkan sebuah driver. Driver merupakan wadah koleksi fungsi dan prosedur yang sistem operasi panggil untuk menjalankan berbagai operasi yang berkaitan dengan perangkat keras, dalam hal ini perangkat keras yang dimaksud adalah hard disk. 3. Proses enkripsi pada virtual disk diikutsertakan pada penanganan proses baca dan tulis virtual disk.

6.

REFERENSI

Adapun perangkat lunak yang digunakan: 1. Sistem operasi Microsoft Windows XP Service Pack 2 2. Windows Driver Kit (WDK) Windows Server 2008 Pre-RTM with HyperV 3. VMWare 5 4. Editor Notepad++ v4.0.2 5.2. Batasan Implementasi

PENGUJIAN

Pengujian yang dilakukan bertujuan untuk memeriksa keberhasilan fungsi mount, unmount virtual disk serta keberhasilan melakukan modifikasi terhadap isi virtual disk. Selain itu, pengujian juga dilaksanakan untuk memastikan file volume pada disk encryption system tidak dapat dibaca di luar virtual disk.

[BAK00]

(2000). The Windows 2000 Device Driver Book, A Guide for Programmers, Second Edition. [MUN04]

Berdasarkan pengujian yang dilakukan, perangkat lunak tugas akhir ini dapat menciptakan virtual disk yang memiliki fungsionalitas seperti layaknya disk drive lainnya. Pada saat virtual disk muncul, segala operasi yang dikenakan pada file dapat dilakukan dengan baik. Pada saat virtual disk telah selesai digunakan dan telah di-unmount, pembacaan terhadap file volume tidak menunjukkan isi file yang sempat dimasukkan dalam virtual disk dalam keadaan

Baker, Art and Jerry Lozano.

Prentice Hall PTR. Munir, Rinaldi. (2004). Bahan Kuliah IF5054 Kriptografi. Departemen Teknik Informatika,

[REF04]

Institut Teknologi Bandung. Reflex Magnetic Ltd. (2004). Entire Hard Disk Encryption vs

[RSA99]

Virtual Hard Disk Encryption. RSA Laboratories. (1999). PKCS #5 v 2.00: Password Based Cryptography Standard