CBL-3 | ChaCha20 – Lembar Kerja Interaktif

✎

Identitas Kelompok

Nomor Kelompok

Kelas

Dosen Pengampu

Daftar Anggota Kelompok

NIM Anggota 1

Nama Anggota 1 (Otomatis Terisi)

NIM Anggota 2

Nama Anggota 2 (Otomatis Terisi)

NIM Anggota 3

Nama Anggota 3 (Otomatis Terisi)

NIM Anggota 4

Nama Anggota 4 (Otomatis Terisi)

NIM Anggota 5

Nama Anggota 5 (Otomatis Terisi)

1

Konversi Plaintext, Kunci & Nonce → Hexadesimal & Biner

🔒

1. Kelompok Anda memiliki informasi (plaintext) yang terdiri dari 16 karakter ASCII (128-bit).
2. Plaintext kelompok Anda akan dienkripsi menggunakan algoritma ChaCha20 (RFC 8439). Sesuai spesifikasi resminya, ChaCha20 memerlukan kunci rahasia (key) sepanjang 32 karakter ASCII (256-bit) dan nonce (angka sekali pakai) sepanjang 96-bit (24 digit hex, 12 byte).
3. Berbeda dari kunci, nonce tidak berasal dari karakter ASCII yang mudah dibaca — nonce dimasukkan langsung dalam bentuk hexadesimal.

Petunjuk: Masukkan Plaintext (16 karakter ASCII), Kunci (32 karakter ASCII), dan Nonce (24 digit hex). Algoritma ChaCha20 akan menggunakan nilai ini sebagai dasar komputasi. Kemudian isi kolom Hexadesimal dan Biner di bawah berdasarkan perhitungan manual Anda.

Input Nilai Awal

Plaintext 16/16 karakter ASCII (128-bit) ✓

Kunci (Key) 32/32 karakter ASCII (256-bit) ✓

Nonce 24/24 digit hexadesimal (96-bit) ✓

🕒 --/--/---- --:--:--

2

Penyusunan Initial State Matrix 4×4 (Row-Major, 16 Kata 32-bit)

🔒

ChaCha20 menyusun 16 kata 32-bit (bukan byte seperti AES) ke dalam Matriks 4×4 secara row-major (baris demi baris) menurut RFC 8439:

Baris 0: Konstanta ("expand 32-byte k") | Baris 1–2: Kata Kunci (8 kata, 256-bit) | Baris 3:
              Counter (1 kata, tetap = 00000001) + Nonce (3 kata)

.
Perhatikan: Plaintext tidak ikut disusun ke dalam state — ChaCha20 adalah stream cipher, plaintext baru digunakan di Bagian 11 (XOR dengan keystream).

Hasil Konversi Hexadesimal Plaintext (16 Byte / 32 Digit Hex — akan dipakai di Bagian 11 untuk XOR dengan Keystream)

Konstanta ChaCha20 (Tetap/Given — ASCII "expand 32-byte k")

Hasil Konversi Hexadesimal Kunci (32 Byte / 64 Digit Hex → 8 Kata 32-bit)

Counter (Tetap) & Nonce (Input Anda, 3 Kata 32-bit)

Counter = -------- | Nonce (3 kata) = [ -------- -------- -------- ]

💡 Konsep Little-Endian: Konversi 4 Byte Hex → 1 Word 32-bit (RFC 8439)

Sesuai spesifikasi RFC 8439, algoritma ChaCha20 menyusun data dari byte ke kata 32-bit menggunakan format Little-Endian (byte terawal/terkiri menjadi byte dengan bobot paling rendah / Least Significant Byte).

Contoh Konversi 1 Kata (4 Byte → 1 Word 32-bit):

Urutan 4 Byte Asli: Byte 0 = 4B Byte 1 = 45 Byte 2 = 59 Byte 3 = 5F

➔ Nilai Word Little-Endian = [Byte 3][Byte 2][Byte 1][Byte 0] = 5F59454B

Diagram Pemetaan Kunci 64-Hex (32 Byte) → 8 Kata 32-bit (State Baris 1 & 2):

Initial State Matrix ChaCha20 (Hex 4×4, 16 Kata 32-bit)

3

Fungsi Quarter Round ChaCha20 — Grup Kata 0 (Langkah 1 & 2)

🔒

Quarter Round (QR) adalah operasi dasar ChaCha20, bekerja pada 4 kata 32-bit (a, b, c, d) melalui 4 langkah ADD–XOR–ROTATE (ARX):

1) a += b; d ^= a; d <<<= 16    2) c += d; b ^= c; b <<<= 12
                3) a += b; d ^= a; d <<<= 8   4) c += d; b ^= c; b <<<= 7

(+ = penjumlahan modulo 2³², ⊕ = XOR bitwise, <<< = rotasi bit ke kiri).
QR pertama diterapkan pada Grup Kata 0: (a,b,c,d) = (State[0], State[4], State[8], State[12]) — yaitu Konstanta₀, Kata Kunci₀, Kata Kunci₄, dan Counter.

Input Grup Kata 0: a = -------- | b = -------- | c = -------- | d = --------

Langkah 3A: QR Langkah 1 — a += b; d ^= a; d <<<= 16

🔍 Hitung Bertahap (hasil dalam HEX, 8 digit):

a += b → | d ^= a (a baru) → | d <<< 16 →

Langkah 3B: QR Langkah 2 — c += d; b ^= c; b <<<= 12

Gunakan nilai d hasil rotasi dari Langkah 3A di atas.

c += d → | b ^= c (b baru) → | b <<< 12 →

4

Penyelesaian Quarter Round Grup Kata 0 (Langkah 3 & 4) & Penyusunan State

🔒

Lanjutkan Quarter Round Grup Kata 0 dengan 2 langkah terakhir, lalu susun hasilnya (a, b, c, d) ke posisi asalnya di Initial State Matrix — yaitu Kolom 0 (State[0], State[4], State[8], State[12]).

Langkah 4A: QR Langkah 3 — a += b; d ^= a; d <<<= 8

Gunakan nilai a dari Langkah 3A (setelah +b) dan b dari Langkah 3B (setelah rotasi 12), serta d dari Langkah 3A (setelah rotasi 16).

a += b → | d ^= a (a baru) → | d <<< 8 →

Langkah 4B: QR Langkah 4 — c += d; b ^= c; b <<<= 7 (Hasil Akhir QR Grup 0)

c += d → | b ^= c (b baru) → | b <<< 7 →

Langkah 4C: Penyusunan Hasil QR Grup 0 ke State Matrix (Kolom 0)

⚡ Otomatisasi Sistem 12 sel (bergaris putus-putus) belum diproses pada ronde ini sehingga nilainya masih sama dengan Initial State (otomatis diisi sistem). 4 sel Kolom 0 (biru terang) terhubung otomatis dari hasil akhir Quarter Round Grup 0 Anda (Langkah 3A–4B).

State Setelah QR Grup 0 (Hex 4×4)

5

Ronde 1 (Column Round) – Quarter Round Grup Kata 1

🔒

Terapkan Quarter Round (4 langkah ARX: ADD → XOR → ROTATE, dua kali) pada Grup Kata 1: (a,b,c,d) = (State[1], State[5], State[9], State[13]) — Kolom 1 dari Initial State.

State Setelah QR Grup 0 (Input Bagian Ini)

Langkah 5A: Hitung Hasil Akhir Quarter Round Grup Kata 1

🔍 Terapkan keempat langkah QR pada a=State[1], b=State[5], c=State[9], d=State[13], lalu masukkan hasil akhirnya:

a' = b' = c' = d' =

Langkah 5B: Matriks State Setelah QR Grup 0 & 1 (Hex 4×4)

⚡ Otomatisasi Sistem 8 sel (bergaris putus-putus) belum diproses pada ronde ini (otomatis diisi sistem). 4 sel Kolom 1 (biru terang) terhubung otomatis dari hasil Langkah 5A Anda.

State Setelah QR Grup 0 & 1 (Hex 4×4)

6

Ronde 1 (Column Round) – Quarter Round Grup Kata 2

🔒

Terapkan Quarter Round pada Grup Kata 2: (a,b,c,d) = (State[2], State[6], State[10], State[14]) — Kolom 2.

State Setelah QR Grup 0 & 1 (Input Bagian Ini)

Langkah 6A: Hitung Hasil Akhir Quarter Round Grup Kata 2

a' = b' = c' = d' =

Langkah 6B: Matriks State Setelah QR Grup 0, 1 & 2 (Hex 4×4)

⚡ Otomatisasi Sistem 4 sel (bergaris putus-putus, Kolom 3) belum diproses (otomatis diisi sistem). 4 sel Kolom 2 (biru terang) terhubung otomatis dari hasil Langkah 6A Anda.

State Setelah QR Grup 0, 1 & 2 (Hex 4×4)

7

Ronde 1 (Column Round) – Quarter Round Grup Kata 3 (Melengkapi Ronde 1)

🔒

Terapkan Quarter Round pada Grup Kata 3: (a,b,c,d) = (State[3], State[7], State[11], State[15]) — Kolom 3. Setelah bagian ini selesai, Ronde 1 (Column Round) ChaCha20 telah lengkap diterapkan ke seluruh 16 kata State.

State Setelah QR Grup 0, 1 & 2 (Input Bagian Ini)

Langkah 7A: Hitung Hasil Akhir Quarter Round Grup Kata 3

a' = b' = c' = d' =

Langkah 7B: Matriks State Akhir Ronde 1 / Column Round (Hex 4×4, Lengkap)

⚡ Otomatisasi Sistem 12 sel (Kolom 0, 1, 2) sudah dihitung pada bagian sebelumnya. 4 sel Kolom 3 (biru terang) terhubung otomatis dari hasil Langkah 7A Anda — melengkapi seluruh State Akhir Ronde 1.

State Akhir Ronde 1 / Column Round (Hex 4×4)

8

Ronde 2 (Diagonal Round) — Melengkapi Double-Round Pertama

🔒

Ronde 2 adalah Diagonal Round: Quarter Round diterapkan pada 4 grup diagonal (bukan kolom):

Diagonal 0: State[0,5,10,15]  | Diagonal 1: State[1,6,11,12]  | Diagonal 2:
              State[2,7,8,13]  | Diagonal 3: State[3,4,9,14]

Setelah ronde ini, Anda telah menyelesaikan satu Double-Round penuh (Ronde 1 + Ronde 2) dari 20 ronde ChaCha20.

State Input (Hasil Ronde 1 / Column Round)

📐 Contoh Perhitungan Diagonal 0 (State[0,5,10,15]) — Sebagai Panduan:

State Akhir Ronde 2 / Diagonal Round (Hex 4×4, Lengkap)

9

Rekapitulasi Otomatisasi Perhitungan Ronde 3 sampai 19

🔒

Setelah Anda memahami mekanisme Quarter Round secara manual (Ronde 1 & 2), tabel berikut menampilkan rekapitulasi otomatisasi komputasi Tipe Ronde (Column/Diagonal Round), State Awal, dan State Akhir untuk Ronde 3 sampai Ronde 19 (17 ronde, tersisa dari total 20 ronde ChaCha20):

Ronde	Tipe	State Awal (Hex, 16 kata)	State Akhir (Hex, 16 kata)

10

Ronde 20 (Ronde Final) & Serialisasi Keystream

🔒

Ronde 20 adalah ronde individual terakhir dari 20 ronde ChaCha20 (Diagonal Round, karena 20 genap). Setelah itu, ada satu langkah khusus yang hanya dilakukan sekali (bukan per-ronde seperti AddRoundKey pada AES): menambahkan kembali (add-back) Initial State (Bagian 2) ke State hasil 20 ronde, lalu men-serialisasi hasilnya menjadi keystream.

State Input (Hasil Ronde 19, dari tabel Bagian 9)

Langkah 10A: Ronde 20 (Diagonal Round) — Ronde Individual Terakhir

Terapkan Quarter Round pada keempat grup diagonal (State[0,5,10,15], State[1,6,11,12], State[2,7,8,13], State[3,4,9,14]) terhadap State Input Ronde 19 di atas.

State Setelah Ronde 20 (Hex 4×4)

Langkah 10B: Add-Back Initial State (Langkah Khusus, Sekali Saja)

Tambahkan (mod 2³², per kata) State Setelah Ronde 20 di atas dengan Initial State dari Bagian 2: State_Final[i] = State_Ronde20[i] + InitialState[i] (mod 2³²). Langkah ini tidak pernah dilakukan di ronde manapun sebelumnya — hanya sekali, di akhir.

State Final Setelah Add-Back (Hex 4×4)

Langkah 10C: Serialisasi 4 Kata Pertama → Keystream (Little-Endian, 16 Byte Pertama)

Karena Plaintext kelompok Anda hanya 16 byte, cukup serialisasikan 4 kata pertama (State Final[0..3]) ke bentuk byte little-endian (byte paling rendah lebih dulu) untuk mendapatkan 16 byte pertama Keystream.

16 Byte Pertama Keystream (Hex 4×4, per baris = 1 kata)

11

Ciphertext Akhir & Pengumpulan Laporan Resmi

🔒

Langkah 11A: Scaffold Operasi XOR Bitwise per Byte (Plaintext ⊕ Keystream)

Ciphertext 128-bit diperoleh dengan operasi XOR (⊕) antara setiap byte Plaintext (16 byte) dengan 16 byte pertama Keystream (dari Bagian 10C):
Ciphertext[i] = Plaintext[i] ⊕ Keystream[i] (untuk i = 0 s.d. 15).
Hitung hasil XOR per byte pada tabel interaktif di bawah ini:

Byte Index
Plaintext (PT)
	⊕ (Operasi XOR Bitwise)
Keystream (KS)
	= (Hasil Enkripsi)
Hasil XOR (Hex)

Langkah 11B: Ciphertext Lengkap 32-Hex & Analisis Laporan

Ciphertext Akhir (32 Karakter Hex): 32 digit hexadesimal hasil penggabungan 16 byte XOR di atas.

📄 Plaintext

HEXADECIMAL

----

ASCII

----

🔑 Kunci (Key)

HEXADECIMAL

----

ASCII

----

🔒 Ciphertext Akhir ChaCha20
HEXADECIMAL
----
ASCII
----

Analisis Penerapan Algoritma ChaCha20:

Portal Akses Modul CBL 3A Ditutup

Departemen Teknik Elektro dan Komputer
LABORATORIUM JARINGAN KOMPUTER
CBL-3: ChaCha20 Stream Cipher (RFC 8439)

Identitas Kelompok

Konversi Plaintext, Kunci & Nonce → Hexadesimal & Biner

Penyusunan Initial State Matrix 4×4 (Row-Major, 16 Kata 32-bit)

Fungsi Quarter Round ChaCha20 — Grup Kata 0 (Langkah 1 & 2)

Penyelesaian Quarter Round Grup Kata 0 (Langkah 3 & 4) & Penyusunan State

Ronde 1 (Column Round) – Quarter Round Grup Kata 1

Ronde 1 (Column Round) – Quarter Round Grup Kata 2

Ronde 1 (Column Round) – Quarter Round Grup Kata 3 (Melengkapi Ronde 1)

Ronde 2 (Diagonal Round) — Melengkapi Double-Round Pertama

Rekapitulasi Otomatisasi Perhitungan Ronde 3 sampai 19

Ronde 20 (Ronde Final) & Serialisasi Keystream

Ciphertext Akhir & Pengumpulan Laporan Resmi

🛡️ Asisten Dosen Panel

Portal Akses Modul CBL 3A Ditutup

Identitas Kelompok

Konversi Plaintext, Kunci & Nonce → Hexadesimal & Biner

Penyusunan Initial State Matrix 4×4 (Row-Major, 16 Kata 32-bit)

Fungsi Quarter Round ChaCha20 — Grup Kata 0 (Langkah 1 & 2)

Penyelesaian Quarter Round Grup Kata 0 (Langkah 3 & 4) & Penyusunan State

Ronde 1 (Column Round) – Quarter Round Grup Kata 1

Ronde 1 (Column Round) – Quarter Round Grup Kata 2

Ronde 1 (Column Round) – Quarter Round Grup Kata 3 (Melengkapi Ronde 1)

Ronde 2 (Diagonal Round) — Melengkapi Double-Round Pertama

Rekapitulasi Otomatisasi Perhitungan Ronde 3 sampai 19

Ronde 20 (Ronde Final) & Serialisasi Keystream

Ciphertext Akhir & Pengumpulan Laporan Resmi

🛡️ Asisten Dosen Panel

🔐 Akses Asisten Dosen / Admin