Enkripsi Selektif Audio Digital Dengan Stream Cipher

Enkripsi Selektif Audio Digital Dengan Stream Cipher
Berbasis Fungsi Chaotik Logistic Map
Aulia Arham
Program Studi Teknik Informatika
STMIK Duta Bangsa Surakarta
[email protected]
Abstrak
Enkripsi pada audio digital adalah salah satu metode yang dapat diterapkan untuk
melindungi audio digital dari pengaksesan pihak yang tidak berhak, enkripsi pada audio
digital membutuhkan proses yang cukup lama karena jumlah volume data audio digital yang
sangat besar. Oleh karena diperlukan suatu metode enkripsi secara selektif untuk
mengurangi waktu proses. algoritma selektif pada audio digital dengan stream cipher
menggunakan fungsi chaotik logistic map untuk pembangkitan bilangan acak yang berfungsi
sebagai kunci enkripsi dan deskripsi dan pemilihan sampel audio yang akan dienkripsi.
Enkripsi selektif hanya mengenkrisi bit MSB (Most Significant Bit) dari setiap sample audio
yang terpilih dengan kunci yang telah dibangkitkan dengan algoritma XOR sederhana.
Pembangkitan bilangan acak menggunakan fungsi chaotik logistic map dilakukan sebanyak
dua kali, pertama berfungsi untuk membangkitkan bilangan acak untuk proses enkripsi dan
deskripsi, kedua untuk menentukan posisi sampel audio yang akan dienkripsi. Hasil
eksperimen memperlihatkan algoritma kriptografi selektif yang diusulkan dapat
mengenkripsi dan mendeskripsi audio dengan baik, cepat, dan terbukti aman dari exhausive
attack, sehingga dapat digunakan untuk melindungi audio digital dari pengaksesan yang
ilegal.
Kata Kunci : Enkripsi, deskripsi, audio digital, selektif, stream cipher, MSB, chaos
I. PENDAHULUAN
Komunikasi sudah menjadi bagian penting dan menjadi hal yang sangat krusial dalam kehidupan
manusia, terutama pada era teknologi informasi seperti sekarang ini, ada saat dimana suatu
komunikasi bersifat penting dan rahasia sehingga hanya pihak-pihak tertentu saja yang boleh
mengetahui tentang informasi dari komunikasi tersebut.
Audio digital merupakan suatu bentuk informasi yang banyak digunakan pada saat ini, audio
digital yang bersifat pribadi dan yang mengandung informasi rahasia perlu dilindungi dari
pengaksesan dari pihak-pihak yang tidak memiliki kewenangan.
Metode yang umum digunakan untuk menjaga keamanan sebuah informasi adalah dengan
kriptografi, dimana informasi dienkripsi atau disandikan sehingga tidak dapat dipahami lagi
maknanya (Rinaldi Munir, 2006).
Penelitian ini menyajikan sebuah pengembangan dari algoritma yang diusulkan oleh peneliti
sebelumnya yaitu Rinaldi Munir dalam penelitiannya yang berjudul Enkripsi Selektif Citra Digital
Dengan Stream Cipher Berbasiskan Pada Fungsi Chaotik Logistic Map, pada penelitian tersebut,
enkripsi dilakukan pada citra digital dan memaparkan bahwa algoritma enkripsi tradisionil yang
lazim digunakan untuk pesan teks seperti DES, AES, RSA, IDEA, dan lain-lain tidak cocok
digunakan untuk mengenkripsi citra. Hal ini disebabkan karna data citra (atau video) umumnya
Duta.com ISSN : 2086-9436 Volume 7 Nomor 1 September 2014
bervolume relatif sangat besar dibandingkan dengan teks, sehingga proses enkripsi citra dengan
algoritma-algoritma tradisionil tersebut memerlukan komputasi lebih lama . Metode yang diusulkan
adalah algoritma stream cipher untuk enkripsi selektif citra digital dengan mengaplikasikan fungsi
logistic map. Fungsi logistic map berperan untuk membangkitkan bit-bit kunci (keystream) yang
kemudian dienkripsi dengan data citra, enkripsi sekektif dilakukan pada ranah spasial dengan cara
memilih bit tertentu saja dari pixel citra yang kemudian dienkripsi dengan keystream yang
dibangkitkan dari fungsi chaotic logistic map. Hasil penelitian tersebut menunjukkan bahwa
algoritma yang diusulkan dapat mengenkripsi sembarang citra (citra grayscale atau citra berwarna)
dengan baik, cepat, dan terbuktu aman dari exhausive attack.
Pada penelitian ini penulis mencoba mengembangkan metode yang sebelumnya telah diusulkan
oleh Rinaldi Munir dengan menerapkan metode tersebut pada data audio digital, karena
karakteristik audio digital sama dengan citra digital dari segi ukuran volume data yang relatif besar,
namun ada perbedaan yang mendasar antara audio digital dengan citra digital yaitu audio digital
merupakan suara yang berupa audio digital yang disimpan dalam bentuk gelombang, sedangkan
citra digital merupakan suatu array dari bilangan yang merepresentasikan intensitas terang pada
point yang bervariasi (pixel) (Doni Arius, 2009). Data audio lebih peka terhadap perubahan yang
kecil terhadap sample datanya, maka oleh karena itu pada proses enkripsi pada data audio dapat
dilakukan hanya pada sebagian sampel audio yang terpilih saja atau hanya sebahagian sampel audio
saja yang akan dienkripsi.
II. TINJAUAN PUSTAKA
KRIPTOGRAFI
Kriptografi adalah ilmu dan seni yang mempelajari teknik-teknik matematika yang berhubungan
dengan aspek keamanan informasi seperti kerahasiaan, integritas data, serta otentikasi (Rinaldi
Munir, 2006). Kriptografi merupakan proses dimana informasi dienkripsi atau disandikan sehingga
tidak dapat dipahami lagi maknanya.
LOGISTIC MAP
Salah satu fungsi chaos sederhana adalah persamaan logistik (logistc map) yang biasa digunakan
di dalam sistem ekologi untuk mensimulasikan pertumbuhan spesies di dalam ekosistem.
Persamaan logistik dinyatakan dalam bentuk interatif sebagai :
𝑥𝑖+1 = 𝑟𝑥𝑖 1 − 𝑥𝑖
dengan 0 ≤ 𝑥𝑖 ≤ 1, 𝑖 = 0, 1, 2, …. Nilai awal (seed) persamaan iterasi adalah 𝑥0 yang berperan sebagai
kunci rahsia. Konstanta r menyatakan laju pertumbuhan fungsi dan 0 ≤ 𝑟 ≤ 4. Persamaan ini mulai
menuju sifat chaotik karena r > 3.75, dan ketika r = 4, fungsi secara total menjadi chaos.
Sebagai contoh, jika kita menggunakan 𝑟 = 4.0 dan nilai awal 𝑥0 = 0.456, maka kita memperoleh
100 bilangan acak :
𝑥1 = 4.0𝑥0 1 − 𝑥0 = 0.992256,
𝑥2 = 4.0𝑥1 1 − 𝑥1 = 0.030736,
𝑥3 = 4.0𝑥2 1 − 𝑥2 = 0.119166,
......
......
Duta.com ISSN : 2086-9436 Volume 7 Nomor 1 September 2014
𝑥99 = 4.0𝑥98 1 − 𝑥98 = 0.914379,
𝑥100 = 4.0𝑥99 1 − 𝑥99 = 0.313162,
Nilai-nilai acak yang dihasilkan dalam barisan chaotik tersebut nilainya berada diantara 0 dan 1.
Dengan menggunakan nilai 𝑥0 sedikit saja sebesar ∆ (catatan : ∆ adalah bilangan yang sangat kecil,
misalnya 10−10 ), barisan bilangan acak yang dihasilkan - setelah diiterasi beberapa kali, hasilnya
berbeda signifikan dengan barisan sebelumnya (Rinaldi Munir, 2011).
STREAM CIPHER
Stream cipher adalah algoritma kriptografi yang mengenkripsi plaiteks menjadi cipherteks bit per
bit (atau byte per byte). Stream cipher pertama kali diperkenalkan oleh Vernam Cipher. Jika
enkripsi dan deskripsi dilakukan bit per bit, maka persamaan enkripsi adalah :
𝑐𝑖 = 𝑝𝑖 ⨁ 𝑘𝑖
sedangkan deskripsi adalah
𝑝𝑖 = 𝑐𝑖 ⨁ 𝑘𝑖
yang dalam hal ini 𝑝𝑖 adalah bit plaiteks ke-i, 𝑘𝑖 adlaah bit kunci,
adalah operator XOR dan 𝑐𝑖
adalah bit cipherteks ke-i.
Barisan bit-bit kunci dihasilkan dari sebuah pembangkit yang dinamakan pembangkit arus-kunci
(keystream generator). Arus kunci (sering dinamakan juga running key) di-XOR-kan dengan
cipherteks untuk menghasilka plainteks semula dengan persamaan diatas.
MOST SIGNIFICANT BIT (MSB)
Sample-sample audio di dalam struktur audio WAV berukuran sejumlah byte. Pada audio 8-bit
satu sample berukuran 1 byte (8-bit), sedangkan pada audio 16-bit satu sample berukuran 2 byte(16bit).
Di dalam susunan byte terdapat bit yang paling tidak berarti (least significant bit atau LSB) dan
bit yang paling berarti (most significant bit atau MSB). Contohnya pada byte 10111010, bit LSB
adalah bit yang terletak paling kanan yaitu 0, sedangkan bit MSB adalah bit paling kiri yaitu 1.
Pengubahan 1 bit LSB tidak mempengaruhi nilai byte secara signifikan, namun mengubah 1 bit
MSB daa mengubah nilai byte secara signifikan. Misalnya 10111010 jika diubah bit MSB-nya dari 1
menjadi 0 sehingga susunan byte menjadi 00111010, maka nilai byte-nya berubah dari 186 menjadi
122. Secara visual efek perubahan bit-bit MSB pada seluruh sample audio menyebabkan audio
tersebut menjadi "rusak" sehingga audio tidak dapat dipersepsi dengan jelas. Inilah yang menjadi
dasar enkripsi audio yang bertujuan membuat audio tidak dapat dikenali lagi karena sudah berubah
menjadi bentuk yang tidak jelas.
FILE WAV
WAV adalah singkatan dari Waveform Audio Format. WAV adalah file audio berkualitas tinggi
yang sering digunakan untuk aplikasi audio yang membutuhkan file dengan tingkat kejernihan yang
Duta.com ISSN : 2086-9436 Volume 7 Nomor 1 September 2014
tinggi, seperti CD (compact disc). File WAV tidak terkompresi, karena itu format ini seringkali
memiliki ukuran yang relatif lebih besar dibandingkan dengan file lain untuk merekam suara
dengan durasi yang sama, namun, format file ini memiliki tingkat kedetilan suara yang paling
tinggi. Sebuah file WAV membutuhkan 10MB untuk merekam 1 menit suara, sedangkan MP3
membutuhkan sekitar 1MB untuk setiap menit.
Berikut adalah format data WAV :
Gambar 1. Format data .WAV
III. METODE YANG DIUSULKAN
Audio yang digunakan sebagai plainteks adalah file audio dengan format WAV yang merupakan
file audio yang tidak terkompresi. File WAV biasanya memiliki kualitas yang bermacam-macam.
Kualitas suara yang dihasilkan ditentukan dari bitrate, samplerate, dan jumlah channel.
Bitrate marupakan ukuran bit tiap samplenya, yaitu 8-bits, 16-bits, 24 bits atau 32 bits. Dalam 8bits WAV semua samplenya hanya akan memakan ukuran sebanyak 1 byte saja, sedangkan 16-bits
akan memakan ukuran 2 bytes. WAV 16-bits tiap samplenya memiliki nilai antara -32768 sampai
32767, dibandingkan untuk 80bits yang hanya memiliki nilai antara -128 sampai 127 maka 16-bit
WAV file menghasilkan suara yang lebih baik karena datanya lebih akurat dari pada 8-bits. Namun,
pada kenyataanya pendengaran manusia umumnya tidak mampu membedakan suara yang
dihasilkan .
Samplerate menyatakan banyaknya jumlah sample yang dimainkan setiap detiknya. Samplerate
yang umum dipakai adalah 8000Hz, 11025Hz, 22050Hz, dan 44100Hz.
Channel menentukan suara yang dihasilkan apakah mono atau stereo. Mono memiliki hanya 1
channel, sedangkan stereo 2 channel dan membutuhkan tempat 2 kali lebih banyak dipada mono.
Pada file Audio WAV, 44 byte pertama digunakan sebagai header audio dan pada data
selanjutnya bisa dilakukan proses enkripsi, jadi proses enkripsi dapat dimulai pada byte ke 45.
Pertama-tama bangkitkan barisan chaos 𝐶1 dengan logistic map dengan nilai awal 𝑖1 untuk
menentukan posisi sampel audio yang akan dienkripsi ( posisi sampel adalah dari 45 sampai m).
Karena nilai-nilai chaos adalah bilangan riil sedangkan lokasi sampel adalah integer, maka nilai
𝑥 ∈ 𝐶2 yang diambil adalah 3 digit angka terakhir dari nilai chaos kemudian dimodulus dengan 26.
Duta.com ISSN : 2086-9436 Volume 7 Nomor 1 September 2014
Bilangan integer yang dihasilkan akan dijumlahkan dengan nilai chaos sebelumnya sehingga
hasilnya menyatakan nomor indeks sampel dalam rentang nilai 1 sampai m. Nilai chaos yang
dihasilkan akan disimpan di dalam larik K.
Selanjutnya bangkitkan barisan chaos 𝐶2 sepanjang ab dengan nilai awal 𝑖2 untuk proses enkripsi.
setiap 𝑥 ∈ 𝐶2 dikonversi ke {0,1} dengan menggunakan operasi pengembangan (thresholdding)
berikut :
𝑇 𝑥 =
1 ,𝑥 ≤ 𝑢
0 ,𝑥 > 𝑢
yang dalam hal ini u adalah nilai ambang yang dispesifikasikan pengguna. hasil pengembangan
disimpan di dalam matriks P. Data D yang terilih akan dienkripsi dengan barisan P sebagai berukut
:
𝐸 =𝐷 ⊕𝑃
Kedua nilai awal barisan chaos (yaitu 𝑖1 dan 𝑖2 ) berlaku sebagai kunci enkripsi dan keduanya
digunakan kembali pada saat deskripsi. Bit-bit data sample pada posisi sampel yang ditentukan oleh
K. Bit-bit tersebut dideskripsi dengan barisan P untuk mengembalikan data semula dengan
persamaan :
𝐷 =𝐸 ⊕𝑃
Selama parameter kunci yang dimasukkan pada waktu deskripsi sama dengan kunci pada waktu
enkripsi, data yang dideskripsi tepat sama dengan data semula.
IV. EKSPERIMEN DAN HASIL ANALISIS
Algoritma enkripsi selektif yang diusulkan ini diprogram dengan bahasa pemrograman visual
basic.net dengan kakas yang digunakan adalah visual studio 2008. Pengujian dilakukan pada
sejumlah audio dengan bitrate, samplerate, dan jumlah channel yang berbeda-beda. semua audio
dapat dienkripsi dan dapat dideskripsikan kembali menjadi audio semula. Parameter nilai yang
digunakan adalah 𝑥0 = 0,4567, 𝑠𝑖𝑧𝑒𝑥 = 4 𝑦0 = 0,9876, 𝑠𝑖𝑧𝑒𝑦 = 4.
Berikut adalah antarmuka aplikasi yang dikembangkan untuk memasukkan pesan kedalam file
WAV :
Duta.com ISSN : 2086-9436 Volume 7 Nomor 1 September 2014
Gambar 2. Antarmuka Aplikasi
a) Analisis histogram audio
Gelombang audio dan Histogram dari audio asli dan gelombang audio dan histogram dari audio
yang sudah terenkripsi diperlihatkan pada gambar 2. terlihat bahwa audio terenkripsi memiliki
gelombang yang acak.
Gambar 3. Gelombang Audio Asli
Duta.com ISSN : 2086-9436 Volume 7 Nomor 1 September 2014
Gambar 4. Histogram Audio Asli
Gambar 5. Gelombang Audio Terenkripsi
Gambar 6. Histogram Audio Terenkripsi
Duta.com ISSN : 2086-9436 Volume 7 Nomor 1 September 2014
b) Analisis perubahan nilai awal logistic map
Sifat fungsi chaos yang terpenting adalah kepekaanya terhadap perubahan kecil nilai awal iterasi.
Jika nilai awal fungsi diubah sedikit saja, nilai-nilai acak yang dihasilkanya berubah secara
signifikan setelah logistic map diiterasikan sejumlah kali. Hal ini sangat bagus untuk keamanan,
sebab pihak lawan yang mencoba menemukan kunci akan merasa kesulitan karena perbedaan nilai
awal fungsi chaos yang sekecil apapun tidak menghasilkan audio semula. Nilai awal logistic map
(yaitu 𝑥0 ) berlaku sebagai kunci rahasia untuk enkripsi dan deskripsi dan 𝑦0 yang berlaku sebagai
penentu posisi dari sampel yang akan dienkripsi dan dideskripsi.
Pada eksperimen ini nilai 𝑥0 awal logistic map diubah sebesar ∆ sehingga menjadi 𝑥0 + ∆,
kemudian audio dideskripsi dengan kunci 𝑥0 + ∆. Misalkan ∆ = 10−10 sehingga nilai awal logistic
map 𝑥0 adalah 0.4567000001 sedangkan nilai awal untuk 𝑦0 tetap. Gambar 5 memperlihatkan citra
hasil deskripsi yang menyatakan tetap teracak. Perubahan kecil nilai awal chaos membuat nilai
chaotik yang dihasilkan berbeda signifikan. Karena nilai ini dipakai sebagai bit-bit kunci sebagai
umpan utuk membangkitkan permutasi (yang berkoresponden dengan posisi pengacakan), maka
resultan dari keduanya memberikan hasil deskripsi yang tidak benar dan tetap acak.
Gambar 7. Gelombang Audio hasil deskripsi
dengan mengubah nilai awal 𝑥0 logistic map sebesar ∆ = 10−10 . Hasil deskripsi tetap acak
Duta.com ISSN : 2086-9436 Volume 7 Nomor 1 September 2014
Gambar 8. Histogram Audio hasil deskripsi dengan mengubah nilai awal 𝑥0 logistic map sebesar
∆ = 10−10 . Hasil deskripsi tetap acak
Eksperimen selanjutnya merubah ini nilai 𝑦0 awal logistic map sebesar ∆ sehingga menjadi 𝑦0 +
∆, Misalkan ∆ = 10−10 sehingga nilai awal logistic map 𝑦0 adalah 0.4567000001 sedangkan nilai
awal untuk 𝑥0 tetap
Gambar 9. Gelombang Audio hasil deskripsi
dengan mengubah nilai awal 𝑦0 logistic map sebesar ∆ = 10−10 . Hasil deskripsi tetap acak
Duta.com ISSN : 2086-9436 Volume 7 Nomor 1 September 2014
Gambar 10. Histogram Audio hasil deskripsi
dengan mengubah nilai awal 𝑦0 logistic map sebesar ∆ = 10−10 . Hasil deskripsi tetap acak
Hasil eksperimen ini membuktikan bahwa karakteristik chaos yang sensitif terhadap nilai awal
memang memberikan keamanan yang bagus dari serangan exshaustive attack. Ekperimen ini juga
menyiratkan bahwa perubahan sangat kecil pada nilai kunci menyebabkan hasil deskripsi salah,
apalagi jika kunci deskripsi yang diberikan berbeda jauh nilainya dengan kunci yang sebenarnya.
V. KESIMPULAN
Di dalam makalah ini telah dipresentasikan algoritma enkripsi selektif pada audio digital berbasis
fungis Chaotic Logistic Map. Nilai awal logistic map berperan sebagai kunci dan penentuan awal
sample audio yang terpilih. Enkripsi selektif hanya dilakukan pada bit-bit MSB yang terpilih dari
sample audio digital dengan mengXORkan dengan kunci.
Hasil eksperimen memperlihatkan bahwa algoritma ekripsi ini dapat mengekripsi dan
mendeskripsi dengan baik, keamanan algoritma telah diperlihatkan dari analisis gelombang suara
yang terlihat seimbang, dan waktu proses enkripsi dan deskripsi nya semakin lebih cepat.
Duta.com ISSN : 2086-9436 Volume 7 Nomor 1 September 2014
VI. DAFTAR PUSTAKA
James Lampton, Chaos Cryptografhy: Protecting data Using Chaos, Mississippi School for
Mathematics and Science.
Munir, Rinaldi, "Kriptografi", Informatika, Bandung, 2006
Munir, Rinaldi, "Enkripsi Selektif Citra Digital Dengan Stream Cipher Berbasis Pada Fungsi
Chaotik Logistic Map". Seminar nasional dan ExpoTeknik Elektro, 2011
Marvel. Lisa M., "Image Steganografphy For Hidden Communication", Disertasi di University
of Delaware, 1999.
R, Sridevi, "Efficient Method of Audio Steganography by Modified LSB Algorithm and Strong
Encryption Key With Enhanced Security". Jurnal of Theorical and Applied Informarion
Technology, 2009.
S, Kumar, "LSB Modification and Phase Encoding Technique of Audio Steganography
Revisited", International Jurnal of Advanced Research in Computer and Communication
Enginerring, 2012.
www.yahoo.com , Chaos Theory : A Breaf Introduction, Diakses pada bulan Juni 2014.
www.ccrma.stanford.edu, Wave Format : WAVE PCM Sound File Format, Diakses pada bulan
Juni 2014.
www.sonicspot.com, Available : Wave Files-The Sonic Spot, Diakses pada bulan Juni 2014.
Duta.com ISSN : 2086-9436 Volume 7 Nomor 1 September 2014