Standar Enkripsi Lanjutan

Advanced Encryption Standard
(Rijndael)
	Visualisasi dari fungsi ronde AES
Informasi umum
Pendesain	Vincent Rijmen, Joan Daemen
Pertama kali dipublikasikan	1998
Turunan dari	Square
Penerus	Anubis, Grand Cru, Kalyna
Sertifikasi	Pemenang AES, CRYPTREC, NESSIE, NSA
Detail penyandian
Ukuran kunci	128, 192 atau 256 bit
Ukuran blok	128 bit
Struktur	Jaringan substitusi–permutasi
Ronde	10, 12 atau 14 (tergantung ukuran kunci)
Analisis kriptografi publik terbaik
	Serangan-serangan yang lebih cepat secara komputasi daripada serangan brutal telah dipublikasikan. Namun, sampai 2013, belum ada yang layak secara komputasi.; Untuk AES-128, kuncinya bisa dipecahkan dengan kompleksitas 2126,1 menggunakan serangan biclique. Untuk serangan biclique pada AES-192 dan AES-256, kompleksitasnya 2189,7 dan 2254,4. Serangan kunci terkait dapat memecahkan AES-192 dan AES-256 dengan kompleksitas 299,5 dan 2176, baik waktu dan data.

Dalam kriptografi, Standar Enkripsi Lanjutan (bahasa Inggris: Advanced Encryption Standard, disingkat AES) merupakan standar enkripsi dengan kunci simetris yang diadopsi oleh Pemerintah Amerika Serikat. Tiap-tiap penyandian memiliki ukuran blok 128 bit dengan ukuran kunci masing-masing 128, 192, dan 256 bit. AES telah dianalisis secara luas dan sekarang digunakan di seluruh dunia, seperti halnya dengan pendahulunya, Standar Enkripsi Data (DES).

AES diumumkan oleh Badan Nasional Standar dan Teknologi (NIST) sebagai Standar Pengolahan Informasi Federal Publikasi 197 (FIPS 197) pada tanggal 26 November 2001 setelah proses standardisasi selama 5 tahun. Selama proses seleksi AES, ada lima belas desain enkripsi yang diajukan dan dievaluasi sebelum Rijndael terpilih sebagai yang paling cocok. AES efektif menjadi standar Pemerintah Federal Amerika Serikat pada tanggal 26 Mei 2002 setelah persetujuan dari Menteri Perdagangan. AES juga disertakan dalam standar 18033-3 ISO/IEC. AES merupakan standar pertama yang dapat diakses publik dan dipakai oleh NSA untuk informasi rahasia.^{[catatan 3]}

AES merupakan varian dari sandi blok Rijndael^[3] dikembangkan oleh Kriptografer Belgia, Joan Daemen dan Vincent Rijmen, yang mengajukan proposal^[4] kepada NIST selama proses seleksi AES.^[5] Standar ini terdiri dari tiga penyandian blok, yaitu AES-128, AES-192, dan AES-256, yang diadopsi dari koleksi yang lebih besar yang awalnya diterbitkan sebagai Rijndael.

Penjelasan algoritme

AES didesain berdasarkan jaringan substitusi–permutasi dan dapat dijalankan dengan efisien dalam perangkat lunak dan keras.^[6] AES berbeda dengan DES karena AES tidak menggunakan jaringan Feistel. AES adalah variasi dari Rijndael dengan ukuran blok tetap 128 bit dan ukuran kunci 128, 192, atau 256 bit. Sebaliknya, Rijndael sendiri didesain dengan ukuran blok dan kunci kelipatan 32 bit dengan minimum 128 bit dan maksimum 256 bit.

AES menggunakan matriks 4 × 4 dengan urutan bita sesuai kolom-lalu-baris (ke bawah, lalu ke kanan). Matriks ini disebut "status" (state).^{[catatan 4]}

Misalkan, 16 bita data, $b_{0},b_{1},...,b_{15}$ , digambarkan dalam matriks dua dimensi sebagai berikut.

{\begin{bmatrix}b_{0}&b_{4}&b_{8}&b_{12}\\b_{1}&b_{5}&b_{9}&b_{13}\\b_{2}&b_{6}&b_{10}&b_{14}\\b_{3}&b_{7}&b_{11}&b_{15}\end{bmatrix}}

Jumlah ronde yang dijalankan dalam AES bergantung pada ukuran kunci yang dipakai.


Ukuran blok	Ukuran kunci	Jumlah putaran
128 bit	128 bit	10 putaran
	192 bit	12 putaran
	256 bit	14 putaran

Tiap ronde terdiri dari beberapa langkah, termasuk yang menggunakan kunci enkripsi. Inversi langkah (kebalikannya) dipakai untuk melakukan dekripsi dengan kunci yang sama (simetris).

Gambaran umum algoritme

KeyExpansion, kunci ronde diturunkan dari kunci penyandian melalui penjadwalan kunci AES. AES membutuhkan kunci ronde 128 bit untuk tiap ronde ditambah satu.
Penambahan kunci ronde awalan:
1. AddRoundKey, tiap bita digabung dengan satu bita dari kunci ronde dengan operasi XOR.
Selama 9, 11, atau 13 ronde:
1. SubBytes, substitusi nonlinear yang tiap bitanya ditukar dengan lainnya sesuai tabel acuan.
2. ShiftRows, penukaran posisi yang tiga baris terakhirnya digeser beberapa kali.
3. MixColumns, pencampuran linear yang bekerja pada tiap kolom "status", yaitu kombinasi keempat bita dalam tiap kolom.
4. AddRoundKey
Ronde terakhir (ronde ke-10, 12, atau 14):
1. SubBytes
2. ShiftRows
3. AddRoundKey

Langkah SubBytes (penukaran bita)

Dalam langkah SubBytes, tiap bita "status" ditukar dengan nilai lain pada tabel 8 bit tetap S; $b ij = S(a ij)$ .

Dalam langkah SubBytes, tiap bita $a_{i,j}$ "status" ditukar dengan SubBytes $S(a_{i,j})$ dengan kotak substitusi 8 bit. Langkah ini memberi sifat nonlinear dalam penyandian ini. Kotak-S yang dipakai berasal dari inversi perkalian dalam $GF (2 8)$ yang dikenal memiliki sifat nonlinear. Untuk menghindari serangan berdasarkan sifat aljabar sederhana, kotak-S dibangun dengan menggabungkan fungsi inversi dan transformasi afin. Kotak-S juga dipilih untuk menghindari titik tetap (sehingga tiada nilai yang dipetakan ke nilai yang sama), yaitu $S(a_{i,j})\neq a_{i,j}$ , dan juga lawan titik tetap apa pun, yaitu $S(a_{i,j})\oplus a_{i,j}\neq {\text{FF}}_{16}$ . Ketika melakukan dekripsi, langkah InverseSubBytes (kebalikan dari SubBytes) dipakai yang harus mencari inversi transformasi afin dan kemudian mencari inversi perkaliannya.

Langkah ShiftRows (pergeseran baris)

Dalam langkah ShiftRows, bita-bita tiap baris digeser (diputar) ke kiri. Banyak pergeseran bertambah untuk tiap baris.

Langkah ShiftRows mengubah tiap baris. Untuk AES, baris pertama dibiarkan. Tiap bita pada baris kedua digeser sekali. Begitu pula untuk baris ketiga dan keempat. Baris ketiga digeser dua kali dan baris keempat digeser tiga kali.^{[catatan 5]} Langkah ini dijalankan agar tiap kolom tidak dienkripsi sendiri-sendiri. hai

Langkah MixColumns (pencampuran kolom)

Dalam langkah MixColumns, tiap kolom "status" dikali dengan suku banyak tetap $c(x)$ .

Dalam langkah MixColumns, empat bita dalam tiap kolom "status" digabung dengan transformasi linear terbalikkan. Fungsi MixColumns menerima empat bita input dan mengeluarkan empat bita yang tiap bita inputnya saling memengaruhi. Fungsi ini bersama dengan ShiftRows memberikan penghamburan dalam penyandian.

Dalam langkah ini, tiap kolom ditransformasikan dengan matriks tetap sebagai berikut.

{\begin{bmatrix}b_{0,j}\\b_{1,j}\\b_{2,j}\\b_{3,j}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}2&3&1&1\\1&2&3&1\\1&1&2&3\\3&1&1&2\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}a_{0,j}\\a_{1,j}\\a_{2,j}\\a_{3,j}\end{bmatrix}},\qquad 0\leq j\leq 3

Langkah AddRoundKey (penambahan kunci ronde)

Dalam langkah AddRoundKey, tiap bita "status" digabung dengan bita pada subkunci ronde saat itu dengan operasi XOR (⊕).

Dalam langkah AddRoundKey, subkunci digabung dengan "status". Untuk tiap ronde, sebuah subkunci dibuat dari kunci utama dengan penjadwalan kunci AES. Tiap subkunci berukuran sama dengan "status". Subkunci ditambahkan dengan menggabungkan tiap bita "status" dengan bita yang seletak pada subkunci dengan operasi XOR.

Optimasi penyandian

Pada sistem berukuran 32 bit atau lebih, eksekusi dapat dipercepat dengan menggabungkan langkah SubBytes dan ShiftRows dengan MixColumns dengan mengubahnya menjadi tabel-tabel acuan. Cara ini membutuhkan empat tabel dengan 256 entri 32 bit (sekitar 4096 bita). Sebuah ronde dapat dijalankan dengan 16 operasi pencarian tabel dan 12 operasi XOR 32 bit ditambah dengan 4 operasi XOR 32 bit pada langkah AddRoundKey.^[7] Cara lainnya, operasi pencarian tabel dapat dilakukan dengan satu tabel dengan 256 entri 32 bit (sekitar 1024 bita) yang diikuti dengan operasi rotasi sirkular.

Dengan pendekatan berorientasi bita, dapat dilakukan penggabungan SubBytes, ShiftRows, dan MixColumns ke dalam operasi ronde tunggal.^[8]

Keamanan

National Security Agency (NSA) mengulas semua finalis AES, termasuk Rijndael, dan menyatakan bahwa semuanya cukup aman dalam mengamankan data tidak rahasia Pemerintah AS. Pada bulan Juni 2003, Pemerintah AS mengumumkan bahwa AES dapat digunakan untuk melindungi informasi rahasia:

Desain dan kekuatan semua panjang kunci algoritma AES (yaitu, 128, 192 dan 256) cukup untuk melindungi informasi rahasia hingga tingkat RAHASIA. Informasi SANGAT RAHASIA akan memerlukan penggunaan panjang kunci 192 atau 256. Implementasi AES dalam produk ditujukkan untuk melindungi sistem keamanan nasional dan/atau informasi yang harus di ulas dan disertifikasi oleh NSA sebelum akuisisi dan penggunaannya.^[9]

AES mempunyai 10 ronde untuk kunci 128-bit, 12 rondeuntuk kunci 192-bit, dan 14 ronde untuk kunci 256-bit.

Pada tahun 2006, serangan paling terkenal terjadi pada 7 ronde untuk kunci 128-bit, 8 ronde untuk kunci 192-bit, dan 9 ronde untuk kunci 256-bit.^[10]

Kinerja

Kecepatan tinggi dan penggunaan memori rendah menjadi penilaian dalam proses seleksi AES. Sebagai algoritme terpilih, AES berjalan dengan baik dalam beragam perangkat keras, dari kartu pintar 8 bit hingga komputer kinerja tinggi.

Pada Pentium Pro, enkripsi AES membutuhkan 18 siklus per bita^[11] atau setara dengan 11 Mbit/s untuk prosesor 200 MHz. Pada Pentium M 1,7 GHz, kelajuannya sekitar 60 Mbit/s.

Pada Intel Core i3/i5/i7 dan AMD Ryzen yang mendukung set instruksi AES-NI, kelajuannya bisa mencapai beberapa GB/s (bahkan lebih dari 10 GB/s).^[12]

Catatan kaki

^ Ukuran kunci 128, 160, 192, 224, dan 256 bit didukung oleh algoritme Rijndael. Namun, hanya ukuran kunci 128, 192, dan 256 bit yang dinyatakan dalam standar AES.
^ Ukuran blok 128, 160, 192, 224, dan 256 bit didukung oleh algoritme Rijndael untuk tiap ukuran kunci. Namun, hanya ukuran blok 128 bit yang dinyatakan dalam standar AES.
^ Lihat Keamanan AES dibawah.
^ Variasi Rijndael dengan blok besar dapat menambah jumlah kolom, tetapi selalu memiliki empat baris.
^ Variasi Rijndael dengan ukuran blok besar memiliki banyak pergeseran yang berbeda.

Referensi

^ "Biclique Cryptanalysis of the Full AES" (PDF). Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 6 Maret 2016. Diakses tanggal 1 Mei 2019.
^ Alex Biryukov and Dmitry Khovratovich, Related-key Cryptanalysis of the Full AES-192 and AES-256, "Archived copy". Table 1. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2009-09-28. Diakses tanggal 2010-02-16.
^ Daemen, Joan; Rijmen, Vincent (March 9, 2003). "AES Proposal: Rijndael" (PDF). National Institute of Standards and Technology. hlm. 1. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 5 March 2013. Diakses tanggal 21 February 2013.
^ Joan Daemen and Vincent Rijmen (September 3, 1999). "AES Proposal: Rijndael" (PDF). Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal February 3, 2007.
^ John Schwartz (October 3, 2000). "U.S. Selects a New Encryption Technique". New York Times. Diarsipkan dari versi asli tanggal March 28, 2017.
^ Bruce Schneier; John Kelsey; Doug Whiting; David Wagner; Chris Hall; Niels Ferguson; Tadayoshi Kohno; et al. (Mei 2000). "The Twofish Team's Final Comments on AES Selection" (PDF). Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2 Januari 2010.
^ Bertoni G.; Breveglieri L.; Fragneto P.; Macchetti M.; Marchesin S. (17 Februari 2003). "Efficient Software Implementation of AES on 32-Bit Platforms". Dalam Kaliski B.S., Koç .K., Paar C. Lecture Notes in Computer Science. Cryptographic Hardware and Embedded Systems. 2523. Springer. doi:10.1007/3-540-36400-5_13.
^ "byte-oriented-aes – A public domain byte-oriented implementation of AES in C – Google Project Hosting". Diarsipkan dari versi asli tanggal 20 Juli 2013. Diakses tanggal 23 Desember 2012.
^ Lynn Hathaway (June 2003). "National Policy on the Use of the Advanced Encryption Standard (AES) to Protect National Security Systems and National Security Information" (PDF). Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2010-11-06. Diakses tanggal 2011-02-15.
^ John Kelsey, Stefan Lucks, Bruce Schneier, Mike Stay, David Wagner, and Doug Whiting, Improved Cryptanalysis of Rijndael, Fast Software Encryption, 2000 pp213–230 "Academic: Improved Cryptanalysis of Rijndael - Schneier on Security". Diarsipkan dari versi asli tanggal 2007-02-23. Diakses tanggal 2007-03-06.
^ Schneier, Bruce; Kelsey, John; Whiting, Doug; Wagner, David; Hall, Chris; Ferguson, Niels (1 Februari 1999). "Performance Comparisons of the AES submissions" (PDF). Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 22 Juni 2011. Diakses tanggal 28 Desember 2010.
^ "AMD Ryzen 7 1700X Review".

Courtois, Nicolas; Pieprzyk, Josef (2003). "Cryptanalysis of Block Ciphers with Overdefined Systems of Equations". Dalam Zheng, Yuliang. Advances in Cryptology – ASIACRYPT 2002: 8th International Conference on the Theory and Application of Cryptology and Information Security, Queenstown, New Zealand, December 1–5, 2002, Proceedings. Springer. hlm. 268–287. ISBN 978-3-540-36178-7.
Daemen, Joan; Rijmen, Vincent (2002). The Design of Rijndael: AES – The Advanced Encryption Standard. Springer. ISBN 978-3-540-42580-9.
Paar, Christof; Pelzl, Jan (2009). Understanding Cryptography: A Textbook for Students and Practitioners. Springer. hlm. 87–122. ISBN 978-3-642-04101-3. alternate link (situs web pendamping berisi kuliah daring tentang AES.

Pranala luar

"256bit key – 128bit block – AES". Cryptography – 256 bit Ciphers: Reference source code and submissions to international cryptographic designs contests. EmbeddedSW.
"Advanced Encryption Standard (AES)" (PDF). Federal Information Processing Standards. 26 November 2001. doi:10.6028/NIST.FIPS.197. 197.
Informasi arsip algoritma AES – (lama, tidak terawat)
"Part 3: Block ciphers" (PDF). Information technology – Security techniques – Encryption algorithms (edisi ke-2nd). ISO. 2010-12-15. ISO/IEC 18033-3:2010(E). Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2022-10-09.
Animation of Rijndael – AES dijelaskan secara mendalam dan dianimasikan menggunakan Flash (oleh Enrique Zabala / Universitas ORT / Montevideo / Uruguay). Animasi ini (dalam Inggris, Spanyol, dan Jerman) juga merupakan bagian dari CrypTool 1 (menu Indiv. Prosedur → Visualisasi dari algoritme → AES).
HTML5 Animation of Rijndael – Animasi yang sama seperti di atas dibuat dalam HTML5.

[keysize-1] Ukuran kunci 128, 160, 192, 224, dan 256 bit didukung oleh algoritme Rijndael. Namun, hanya ukuran kunci 128, 192, dan 256 bit yang dinyatakan dalam standar AES.

[blocksize-2] Ukuran blok 128, 160, 192, 224, dan 256 bit didukung oleh algoritme Rijndael untuk tiap ukuran kunci. Namun, hanya ukuran blok 128 bit yang dinyatakan dalam standar AES.

[5] Lihat Keamanan AES dibawah.

[10] Variasi Rijndael dengan blok besar dapat menambah jumlah kolom, tetapi selalu memiliki empat baris.

[11] Variasi Rijndael dengan ukuran blok besar memiliki banyak pergeseran yang berbeda.

[aesbc-3] "Biclique Cryptanalysis of the Full AES" (PDF). Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 6 Maret 2016. Diakses tanggal 1 Mei 2019.

[relkey-4] Alex Biryukov and Dmitry Khovratovich, Related-key Cryptanalysis of the Full AES-192 and AES-256, "Archived copy". Table 1. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2009-09-28. Diakses tanggal 2010-02-16.

[Rijndael-ammended.pdf-6] Daemen, Joan; Rijmen, Vincent (March 9, 2003). "AES Proposal: Rijndael" (PDF). National Institute of Standards and Technology. hlm. 1. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 5 March 2013. Diakses tanggal 21 February 2013.

[Rijndaelv2-7] Joan Daemen and Vincent Rijmen (September 3, 1999). "AES Proposal: Rijndael" (PDF). Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal February 3, 2007.

[8] John Schwartz (October 3, 2000). "U.S. Selects a New Encryption Technique". New York Times. Diarsipkan dari versi asli tanggal March 28, 2017.

[9] Bruce Schneier; John Kelsey; Doug Whiting; David Wagner; Chris Hall; Niels Ferguson; Tadayoshi Kohno; et al. (Mei 2000). "The Twofish Team's Final Comments on AES Selection" (PDF). Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2 Januari 2010.

[12] Bertoni G.; Breveglieri L.; Fragneto P.; Macchetti M.; Marchesin S. (17 Februari 2003). "Efficient Software Implementation of AES on 32-Bit Platforms". Dalam Kaliski B.S., Koç .K., Paar C. Lecture Notes in Computer Science. Cryptographic Hardware and Embedded Systems. 2523. Springer. doi:10.1007/3-540-36400-5_13.

[13] "byte-oriented-aes – A public domain byte-oriented implementation of AES in C – Google Project Hosting". Diarsipkan dari versi asli tanggal 20 Juli 2013. Diakses tanggal 23 Desember 2012.

[14] Lynn Hathaway (June 2003). "National Policy on the Use of the Advanced Encryption Standard (AES) to Protect National Security Systems and National Security Information" (PDF). Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2010-11-06. Diakses tanggal 2011-02-15.

[improved-15] John Kelsey, Stefan Lucks, Bruce Schneier, Mike Stay, David Wagner, and Doug Whiting, Improved Cryptanalysis of Rijndael, Fast Software Encryption, 2000 pp213–230 "Academic: Improved Cryptanalysis of Rijndael - Schneier on Security". Diarsipkan dari versi asli tanggal 2007-02-23. Diakses tanggal 2007-03-06.

[16] Schneier, Bruce; Kelsey, John; Whiting, Doug; Wagner, David; Hall, Chris; Ferguson, Niels (1 Februari 1999). "Performance Comparisons of the AES submissions" (PDF). Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 22 Juni 2011. Diakses tanggal 28 Desember 2010.

[17] "AMD Ryzen 7 1700X Review".

[catatan 1]

[catatan 2]

[1]

[2]

[catatan 3]

[3]

[4]

[5]

[6]

[catatan 4]

[catatan 5]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

l b s Penyandian blok
Algoritme umum	AES Blowfish DES (penjelasan teknis, Triple DES) Serpent Twofish
Algoritme kurang umum	ARIA Camellia CAST-128 GOST IDEA LEA RC2 RC5 RC6 SEED Skipjack TEA (XTEA)
Algoritme lainnya	3-Way Akelarre Anubis BaseKing BassOmatic BATON BEAR dan LION CAST-256 Chiasmus CIKS-1 CIPHERUNICORN-A CIPHERUNICORN-E CLEFIA CMEA Cobra COCONUT98 Crab Cryptomeria/C2 CRYPTON Sandi-CS DEAL DES-X DFC E2 FEAL FEA-M FROG G-DES GOST Grand Cru Hasty Pudding cipher Hierocrypt ICE IDEA NXT Intel Cascade Cipher Iraqi Kalyna KASUMI KeeLoq KHAZAD Khufu dan Khafre Sandi-KN Kuznyechik Ladder-DES Libelle LOKI (97, 89/91) Lucifer M6 M8 MacGuffin Madryga MAGENTA MARS Mercy MESH MISTY1 MMB MULTI2 MultiSwap New Data Seal NewDES Nimbus NOEKEON NUSH PRESENT Q RC6 REDOC Red Pike S-1 SAFER SAVILLE SC2000 SHACAL SHARK (penyandian) Simon SM4 Speck Spectr-H64 Square SXAL/MBAL Threefish Treyfer UES xmx XXTEA Zodiac
Desain	Efek salju longsor Jaringan substitusi–permutasi Kotak-S Kotak-P Pemutihan kunci (Transformasi pemutihan) Pengacakan dan penghamburan Penjadwalan kunci Sandi Feistel Skema Lai–Massey Sandi produk Ukuran blok Ukuran kunci
Penyerangan (analisis kriptografi)	Serangan brutal (EFF DES cracker) MITM (Biclique attack, 3-subset MITM attack) Linear (Piling-up lemma) Differential (Impossible Truncated Higher-order) Differential-linear Distinguishing (Known-key) Integral/Square Boomerang Mod n Related-key Slide Rotational Timing XSL Interpolation Partitioning Davies' Rebound Weak key Tau Chi-square Time/memory/data tradeoff
Standardisasi	Proses AES CRYPTREC NESSIE
Peralatan/perkakas	Vektor inisialisasi Mode operasi Bantalan