PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI ENKRIPSI DATA GAMBAR BERBASIS FPGA DENGAN METODE IMPROVED KEY SPACE BAKER MAP UNTUK SISTEM PENGINDERAAN JAUH SATELIT NANO βDESIGN AND IMPLEMENTATION OF IMAGE ENCRYPTION BASED ON FPGA WITH IMPROVED KEY SPACE BAKER MAP FOR NANOSATELLITE REMOTE SENSING PAYLOADβ Alfian Subiyakto1, Denny Darlis,S.Si, MT.2, Nur Andini, S.T., MT 3 1,3
Prodi S1 Teknik Telekomunikasi, Fakultas Teknik, Universitas Telkom Prodi D3 Teknik Telekomunikasi, Fakultas Ilmu Terapan, Universitas Telkom 1
[email protected] [email protected], 3
[email protected] 2
ABSTRAK Satelit nano adalah satelit berukuran dengan dimensi minimal U1 dengan massa maksimal 10 kg. Salah satu misi dari nanosatelit adalah penginderaan jauh. Dalam suatu sistem penginderaan jauh data gambar yang telah didapatkan harus diolah sebelum akhirnya dikirimkan.Salah satu pengolahan data gambar yang perlu dilakukan adalah enkripsi. Pada tugas akhir ini telah diimplementasikan algoritma enkripsi improved key space Baker map pada FPGA dan telah diukur performansi dari metode tersebut. Berdasarkan hasil implementasi dan pengukuran didapatkan bahwa metode ini cocok untuk diimplementasikan pada sistem nanosatelit dikarenakan waktu enkripsi yang singkat yaitu selama 0.05 detik. Dan key space yang cukup besar yaitu sebesar 10300 sehingga tidak memungkinkan untuk dipecahkan dengan metode brute force attack. Selain itu, dikarenakan nilai PSNR pada citra tidak mengalami perubahan ketika dilakukan proses dekripsi dan enkripsi menandakan bahwa metode yang digunakan cocok untuk diimplementasikan pada kanal atau sistem yang memiliki banyak derau. Kata Kunci : satelit nano, improved key space Baker map, enkripsi citra, FPGA ABSTRACT Nanosatellite is a satellite with U1 minimum dimension and maximum mass of 10kg. One of the mission for nanosatellite is remote sensing. In remote sensing system the image should be processed before it can be sent. One of the processing that sould be done is image encryption. In this final project improved key space Baker map algorithm has been simulated, measured, and implemented on FPGA. Based on the measurement it can be concluded that this method is fit to be implemented on nanosatellite system because it needs only 0.05 second to do the encryption. This method also have a quite big key space that is 10300 so itβs unbreakable by brute force attack. Besides, because the PSNR on the image before and after encryption and decryption process stay the same this algorithm has a good noise resistance and fit to be implemented on channel or system with many noises. Keywords: nano satellite, improved key space Baker map, enkripsi citra, FPGA. 1. Pendahuluan Universitas Telkom sedang mengembangkan teknologi satelit berukuran nano yang disebut satelit nano yang direncanakan untuk diluncurkan pada tahun 2015. Satelit nano yang dirancang membawa misi penginderaan jauh. Proses penginderaan jauh yang dilakukan diantaranya adalah akuisisi data, pemrosesan data, penyimpanan data, dan pengiriman data. Karena jarak satelit dari bumi cukup jauh dan media propagasi pengiriman data satelit dapat diakses oleh semua orang perlu metode untuk mengamankan data yang akan dikirimkan. Salah satu cara yang bisa dilakukan untuk melindungi data gambar adalah dengan melakukan enkripsi data gambar. Oleh karena itu perlu suatu algoritma enkripsi yang sudah tertanam ke dalam On Board Computer. Dikarenakan tugas dari On Board Computer yang cukup berat yaitu sebagai pemroses data dan pengotrol dari satelit maka perlu suatu pemroses yang handal seperti FPGA. Karena metode enkripsi data tradisional seperti DES, IDEA dan RSA melihat data masukan sebagai aliran data maka tidak cocok untuk diimplementasikan pada data gambar. Hal ini disebabkan karena ukuran dari data gambar yang besar dan tingginya hubungan tiap pixel yang ada[1]. Oleh karena itu digunakanlah metode enkripsi berbasis chaos seperti Baker map. Namun karena panjang kunci dari metode Baker map terbatas pada ukuran panjang dari citra maka key space metode Baker map terbatas jumlahnya. Sehingga perlu suatu metode untuk menambahkan key space yang dimiliki. Berdasarkan pada paper karya Fengling Han et al cara yang dapat dilakukan untuk menambahkan ukuran key space dari Baker map adalah dengan mengganti kunci yang digunakan tiap kali iterasi[2]
1
Pada tugas akhir ini, akan digunakan metode yang diajukan oleh Fengling Han et al untuk menambah jumlah key space dari metode Baker map. Pada implementasinya akan digunakan citra RGB dan modul FPGA sebagai pengolah citra. Dengan diaplikasikannya metode ini ke dalam FPGA diharapkan dapat tercipta suatu metode Baker map dengan performa yang lebih baik dibandingkan dengan metode Baker map yang tidak ditingkatkan performansinya dan siap digunakan pada subsistem OBC pada satelit nano. 2. Dasar teori 2.1 On Board Computer On Board Computer(OBC) merupakan otak dari suatu sistem satelit [3]. Tanpa adanya OBC suatu sistem nanosatelit tidak akan mampu berjalan. Pada umumnya OBC memiliki fungsi untuk pemrosesan data dan mengontrol kondisi dari sistem nanosatelit atau disebut juga house keeping. Fungsi yang dapat dilakukan oleh suatu sistem OBC tergantung dari subsistem yang di hubungkan dengan nya[3]. Pada umumnya suatu sistem OBC akan terhubung dengan beberapa susbsistem seperti payload, communication, ADCS(Atitude Determination and Control Subsystem), dan EPS (Electrical and Power Subsystem). Pemrosesan data seperti enkripsi dan penambahan bit koreksi dapat pula dilakukan pada sistem OBC. 2.2 FPGA FPGA merupakan kependekan dari Field Programmable Gate Array yang berarti FPGA terdiri atas gerbang gerbang logika yang bisa diprogram oleh sang developer sesuai keinginannya agar dapat melakukan suatu fungsi. FPGA biasanya terdiri atas beberapa configurable logic blocks (CLB) yang disekitarnya ada blok array I/O. Setiap CLB dan I/O dihubungkan oleh programmable interconnect. [4] 2.3 Kriptografi Kriptografi adalah ilmu mengenai teknik matematis yang berhubungan dengan keamanan sistem informasi, seperti confidentiality, data integrity, entity authentication, dan data origin authentication.[5] Pada suatu sistem kriptografi(cryptosystem) dikenal istilah enkripsi dan dekripsi. Enkripsi adalah modifikasi pesan sehingga pesan hanya bisa dibuka oleh penerima pesan yang dikehendaki oleh pengirim pesan. Sedangkan dekripsi adalah proses memodifikasi kembali pesan terenkripsi (ciphertext) sehingga kembali menjadi pesan aslinya. 2.4 Chaos Theory Chaos adalah kata yang biasa kita gunakan untuk menyebutkan sesuatu yang tidak beraturan dan tidak memiliki suatu pola atau periode tertentu. Dalam matematika teori chaos menggambarkan suatu sistem yang dinamis. Sistem dinamis berarti nilai keluaran dari suatu sistem akan bergantung pada waktu, dikarenakan parameter dari sistem yang selalu berubah terhadap waktu.[6] 2.5 Kriptografi berbasis chaos Chaos-based cryptography bisa disebut sebagai hasil dari perkawinan antara matematika dan sistem kriptografi. Secara umum algoritma kriptografi dan sistem chaotic mempunyai banyak persamaan. Hanya berbeda istilah dikarenakan chaos teory merupakan bagian dari ilmu matematika. Metode yang akan diujikan yaitu metode Baker map adalah metode berbasis chaos. 2.6 Baker Map Mengutip paper milik Shanon tentang kriptografi. Shanon berkata bahwa Good mixing transformations are often formed by repeated products of two simple non-commuting operations. Hopf has shown, for example, that pastry dough can be mixed by such a sequence of operations. The dough is first rolled out into a thin slab, then folded over, then rolled, and then folded again.[6] Nama Baker map diambil karena operasi pada Baker map mirip dengan cara pembuatan roti oleh pembuat roti atau Baker dalam membuat roti. Ketika seorang Baker membuat roti adonan roti yang sudah jadi akan diubah jadi bentuk yang sangat tipis yang kemudian dilipat. Yang secara matematis dapat dituliskan dengan persamaan π¦
1
2
2
π΅(π₯, π¦) = (2π₯, ) untuk 0 β€ π₯ < π¦
1
1
π΅(π₯, π¦) = (2π₯ β 1, 2 + 2) untuk 2 β€ π₯ < 1
(2.1) (2.2)
3. Pembahasan 3.1 Blok sistem
2
Gambar 3.1 Diagram blok pengujian sistem Untuk melakukan pengujian kepada modul enkripsi yang telah dibuat pada modul FPGA. Perlu ada suatu cara untuk melihat hasil keluaran dari FPGA. Olah karena itu dibutuhkan adanya interkoneksi antara FPGA dengan komputer. Sistem interkoneksi antara FPGA dan PC menggunakan komunikasi UART dengan Baud Rate 9600. Pada tugas akhir ini blok yang dirancang dan akan diimplementasikan kedalam FPGA hanyalah blok rom kunci, blok ram citra dan blok ram citra terenkripsi. 3.2 Pemilihan modul Dalam perancangan akan digunakan modul Digilent Atlys Spartan-6 FPGA development board untuk mencoba algoritma yang sudah selesai diimplementasikan. Modul development board ini menggunakan ic Xilinx Spartan-6 LX45 FPGA. dan sudah dilengkapi konektor RJ45 dan RS-232 serial. Adapun spesifikasi yang ditawarkan oleh modul atlys adalah sebagai berikut ο· 6,822 slices each containing four 6-input LUTs and eight flip-flops ο· 2.1 Mbits of fast block RAM ο· 4 clock tiles (8 DCMs and 4 PLLs) ο· 6 phased-locked loops ο· 58 DSP slices ο· 500MHz+ clock speeds 3.3 Spesifikasi waktu Sebelum sistem enkripsi bisa dibuat dan diimplementasikan, harus diketahui spesifikasi dari sistem yang akan dibuat. Untuk sistem nanosatellite batasan dari sistem yang paling besar adalah dari sisi waktu pemrosesan data dan pengiriman data. Pada umumnya nanosatelit berada pada ketinggian sekitar 400-700 km sehingga kecepata nanosatelit ketika mengorbit bisa mencapai puluhan ribu Km/jam. Sebagai contohnya suatu nanosatelit bisa memiliki spesifikasi seperti berikut ο· jenis orbit = Polar Sunsyncronous ο· apogee and perigee radius = 700 Km, ο· inklinasi = 98:2 ο· periode orbit = 5926.38 s, ο· banyak melewati stasiun bumi di bandung = 2, ο· periode saat melintasi target = 11 menit. Data diatas didapatkan dengan menggunakan perangkat lunak STK 10. Berdasarkan spesifikasi diatas dapat diketahui bahwa periode satelit saat melintasi stasiun bumi di bandung hanya sekitar 11 menit. Dari 11 menit waktu diatas target sekitar 1 sampai 3 menit akan dipakai oleh stasiun bumi dan satelit untuk melaksanakan fungsi housekeeping. Oleh karena itu waktu stasiun bumi bisa mengakses satelit untuk menerima data gambar adalah sekitar 7 10 menit. Dalam perancangan kali ini akan digunakan batasan waktu dengan kasus yang palik buruk. yaitu sekitar 7 menit. 3.4 Verifikasi hasil
3
Untuk mengetahui apakah sistem yang dirancang berjalan dengan sempurna perlu dilihat hasil timing diagram melalui perangkat lunak Isim.
Gambar 3.2 Timing diagram enkripsi data Berdasarkan pada Timing diagram dapat disimpulkan bahwa sistem enkripsi data telah berjalan dengan baik. Hal ini dapat dilihat dari sinyal keluaran dari timing diagram. Dapat dilihat dari Gambar 3.2 begitu sistem mendapat sinyal minta keluaran dan enable pemrosesan mulai dilakukan oleh FPGA. Setelah sekitar 301 us FPGA mengeluarkan sinyal greater_kun dan greater_image. Sinyal ini merupakan pertanda bahwa proses enkripsi telah selesai dilakukan dan data siap dikirimkan. Douta_enkrip menggambarkan sinyal keluaran dari modul FPGA. Sebelum sinyal greater_kun bernilai satu nilai douta_enkrip adalah u yang berarti unsigned atau tidak terdefinisikan nilainya. Kemudian setelah enkripsi selesai dilakukan terjadi perubahan pada port douta_enkrip menjadi nilai isi dari blok ram yang telah dirancang. Setelah semua data terkirimkan FPGA akan mengirimkan sinyal lagi yaitu sinyal greater_enkrip yang menandakan pengiriman data telah selesai dilakukan. 3.5 Analisa dan pengujian 3.5.1 Penggunaan resource Setelah dilakukan sintesis pada algoritma yang yang telah dibuat. Dari Design Summary dapat dilihat keseluruhan resources yang akan digunakan oleh FPGA. Tabel 3.1 Timing diagram enkripsi data Bagian gerbang logika Yang digunakan Tersedia Penggunaan Number of Slice Registers 96 54576 1% Number of Slice LUTs 196 27288 1% Number of bonded IOBs 26 218 1% RAM8BWERs 7 232 3% RAM16BWERs 53 116 45% Hasil sintesis menunjukkan resources FPGA yang terpakai adalah 1% Number of Slice Registers, 1% Number of Slice LUTs, 1% Number of bonded IOBs, 3% RAM8BWERs, 45% RAM16BWERs dan frekuensi maksimal 224.107 MHz atau periode 4.4 ns. Dengan spesifikasi sistem tersebut maka sistem yang telah dirancang memungkinkan untuk diimplementasikan ke dalam FPGA. Selain itu karena resources yang digunakan oleh FPGA kurang dari 50% maka sistem enkripsi yang di rancang masih memungkinkan untuk diintegrasikan dengan sistem yang lain. 3.5.2 Kecepatan enkripsi Melalui program Isim dapat diketahui kecepatan enkripsi dari metode yang digunakan. Dengan Asumsui bahwa frekuensi kerja sistem adalah 100 MHz. Dari hasil simulasi melalu Isim dapat dilihat bahwa kecepatan enkripsi untuk satu blok dalam FPGA adalah 301.005 us. Jika satu blok yang enkripsi berisi 30000 byte. Maka untuk citra dengan ukuran 1600 Γ 1200 Γ 3 akan memakan waktu selama 1600 Γ 1200 Γ 3 Γ 301.05 π’π = 0.05 π 3000
(3.1)
Melihat hasil perhitungan waktu dari sistem enkripsi yang hanya memakan waktu 0.05 second untuk citra berukuran 1600 Γ 1200 Γ 3. Dan melihat spesifikasi waktu awal untuk sistem enkripsi yaitu selama 7 menit. Maka dapat disimpulkan bahwa algoritma ini cocok digunakan untuk sistem nanosatellit.
4
3.5.3 Brute force attack Pengujian ketahanan citra terhadap brute force attack dilakukan dengan melakukan perhitungan untuk semua kemungkinan kunci yang ada. Pada tugas akhir kali ini perhitungan dilakukan dengan parameter perhitungan ukuran blok enkripsi 100 Γ 100 dengan jumlah iterasi sebanyak tiga kali dengan menggunakan kunci yang berbeda pada tiap iterasinya. Waktu yang digunakan untuk melakukan satu kali dekripsi adalah 7.88 detik brute force attack dikatakan sukses apabila 50 persen dari semua kemungkinan kunci telah terpecahkan. Sehingga, jika orang ketiga ingin menggunakan metode brute force attack akan memakan waktu selama. 10
100Γ3 2
π‘πππ = 7.88 = 1.26 Γ 10149 π (3.2) Dari persamaan diatas kita dapat diketahui bahwa setidaknya dibutuhkan waktu sebesar 1.26 Γ 10149 detik atau 3.9 Γ 10141 tahun untuk memecahkan kode Baker map. 3.5.4 Koefisien korelasi Pada proses ini akan dianalisa nilai dari koefisien korelasi dan grafik koefisien korelasi yang dihasilkan pada masing masing channel
Gambar 3.3 Grafik koefisien korelasi a)channel red r = 0.055 b)channel green r = 0.03 c)channel blue r = 0.057 Dari 30 data uji yang diambil nilai koefisien korelasi yang palik buruk adalah sebesar -0.52852 dan yang paling bagus adalah 0.004145 dengan rata-rata 0.0406. Hal ini menunjukan bahwa algoritma ini cukup bagus untuk digunakan sebagai metode enkripsi karena rata-rata dari 30 citra masing masing citra lebih dari 90 persen data citra hasil enkripsi memiliki nilai yang berbeda daripada citra awal. 3.5.5 Avalanche Effect Avalanche effect diukur dengan cara melihat UACI dan NPCR citra hasil enkripsi dibandingkan dengan citra hasil enkripsi yang sudah diganti satu bit. Setelah dilakukan pengujian didapatkan nilai NPCR dari 30 citra adalah sama, yaitu 0.00005 atau mendekati nol dan nilai UACI yang didapatkan adalah 0.0000002 atau mendekati nol. 3.5.6 Sensitifitas kunci Pengujian dari sensitifitas kunci dilakukan dengan cara mengenkripsi citra uji dengan suatu kunci tertentu dalam kasus ini kunci yang digunakan adalah k1 = [10 20 10 20 30 5 5], k2 = [15 15 20 20 15 15], k3[50 50]. Kemudian mengganti dua bilangan dari nilai kunci. Penggantian dilakukan pada 2 bilangan karena jumlah total dari semua kunci harus 100. Pada kasus kedua k1 diganti menjadi k1 = [9 21 10 20 30 5 5]. Kemudian lakukan lagi enkripsi pada citra. Kemudian ganti kembali salah satu nilai dari kunci yang digunakan dan lakukan enkripsi kembali. Sehingga k1 akan menjadi k1 = [9 19 12 20 30 5 5]. Setelah didapatkan tiga buah citra hasil enkripsi yang berbeda akan dibandingkan nilai koefisien korelasi dari ketiga citra yang dihasilkan. Dari hasil pengujian didapatkan nilai koefisien korelasi dari citra hasil enkripsi tanpa ada perubahan kunci dibandingkan dengan citra hasil enkripsi setelah kunci dirubah dua byte didapatkan nilai rata-rata sebesar 0.8587 dengan nilai paling tinggi 0.95 dan nilai paling rendah 0.76. Sedangkan perbandingan dengan perubahan kunci tiga byte didapatkan nilai paling tinggi 0.88 dan nilai paling rendah 0.66. Hal ini menunjukan tidak ada perubahan yang signifikan dari perubahan kunci yang ada. Dikarenakan kemiripan atau koefisien korelasi yang terjadi nilainya mendekati satu. 3.5.7 Noise imunity Setelah dilakukan percobaan untuk mengukur ketahanan algoritma terhadap derau didapatkan grafik.
5
Gambar 3.4 Grafik ketahanan derau Gambar3.5 menunjukan bahwa algoritma Baker map tahan terhadap derau. Hal ini dapat dilihat dari nilai PSNR. Semakin tinggi PSNR pada citra Baker map terenkripsi semakin tinggi juga nilai PSNR pada citra Baker map sesudah di dekripsi. Hal ini menunjukkan bahwa walaupun citra terenkripsi terkena derau atau dirubah sedemikian rupa citra masih dapat di dekripsikan. 4
Kesimpulan Berdasarkan hasil implementasi dan pengujian yang telah dilakukan pada sistem maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut 1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Perancangan sistem enkripsi berbasis FPGA dengan metode improved keyspace Baker map mampu mengenkripsi citra dengan ukuran 1600 Γ 1200 Γ 3 dan mengembalikkannya kembali ke citra semula. Waktu dari proses dekripsi adalah selama 7 detik dan lama waktu proses enkripsi adalah 0.05 detik. Dengan batasan waktu 7 menit algoritma yang digunakan yang digunakan sangat memungkinkan untuk diimplementasikan pada sistem nanosatelit. Implementasi sistem enkripsi pada FPGA menggunakan 1% dari slice registers yang tersedia, 1% dari slice LUTs, 1% dari pin masukan dan keluaran FPGA, 3% RAM8BWERs, 45% RAM16BWERs dan frekuensi maksimal 244 MHz. Hal ini mengakibatkan blok enkripsi hasil perancangan masih bisa dipadukan dengan blok lain. Untuk memecahkan algoritma yang digunakan dengan menggunakan metode \emph{brute force attack} dibutuhkan waktu selama 1.27Γ10149 detik atau 3.9Γ10141 tahun. Hal ini menunjukan bahwa algoritma yang digunakan mempunyai ketahanan yang cukup baik karena butuh waktu bertahun-tahun untuk dipecahkan. Nilai koefisien korelasi dari 30 data uji yang digunakan mempunyai nilai paling baik yaitu sebesar 0.04145 dan paling buruk -0.52852 dengan rata-rata 0.0406. Dilihat dari nilai koefisien korelasi dapat dikatakan bahwa algoritma ini memiliki persebaran yang cukup baik dikarenakan hasil enkripsi dan hasil dekripsi rata-rata berbeda lebih dari 50 persen. Nilai koefisien korelasi sampai lebih dari 0.5 dapat terjadi karena citra plain text memiliki banyak kemiripan pada tiap pixelnya. Berdasarkan dari nilai NPCR dan UACI yang mendekati nol algoritma enkripsi improved key space Baker map memiliki nilai avalanche effect yang kurang baik. Di karenakan nilainya mendekati nol. Buruknya Avalanche effect mengakibatkan algoritma enkripsi rawan terhadap statistical attack. Algoritma improved key space Baker map kurang sensitif terhadap adanya perubahan kunci karena nilai dari koefisien korelasi dari cipher text dan cipher text setelah kunci dirubah 2 byte memiliki rata-rata sebesar 0.8587 yang berarti hanya sekitar 20 persen pixel yang nilainya berubah. Karena algoritma tidak sensitif terhadap kunci mengakibatkan algoritma rawan terkena serangan statistikal. Algoritma improved key space Baker map tahan terhadap perubahan yang terjadi akibat derau karena nilai dari PSNR citra terenkripsi yang sudah dikenai derau dan PSNR citra yang sudah didekripsi memiliki nilai yang berbanding lurus. Sehingga adanya algortima Baker map tidak mempengaruhi derau yang sudah ada pada sistem. Hal ini mengakibatkan algoritma Baker map cocok untuk diimplementasikan pada sistem yang memiliki banyak derau.
6
DAFTAR PUSTAKA [1] G. Chen, Y. Mao and C. Chui, "A symmetric encryption scheme based on 3D chaotic cat map", Chaos, Solitons & Fractals, 2 1: 749-761, 2004. [2] Fengling, Han. et al., 2006, Improved Baker Map for Image Encryption, 1st International Symposium on Systems and Control in Aerospace and Astronautics, IEEE journal. [3] B. S. Rani, R. R. Santosh, L. S. Prabhu, M. Frederick, V. Kumar and S. Santosh, "A Survey to Select Microcontroller for Sathyabama," in Recent Advances in Space Technology Services and Climate Change (RSTSCC), Chennai, 2010. [4] Richard E, Haskell., Darrin M, Hanna., 2009, Introduction to Digital Design Using Digilent FPGA Boards Block Diagram/Verilog Examples, LBE Books, LLC. [5] Menezes, A. J., Oorschot, P. c., & Vanstone, S. A. (1996). Handbook of Applied Cryptoraphy. [6] Kocarev, Ljupco., and Lian, Shiguo., 2011, Chaos-Based Cryptography Theory, Algorithms and Application,Springer
7
