Mengenal Algoritma PQC: ML-KEM, ML-DSA, dan SLH-DSA

Post-Quantum Cryptography (PQC) bukan sekadar konsep untuk menghadapi ancaman Quantum Computing. Standar algoritmanya sudah diterbitkan dan mulai menjadi acuan bagi industri teknologi. Tiga algoritma yang perlu dikenal organisasi adalah ML-KEM, ML-DSA, dan SLH-DSA. Ketiganya memiliki fungsi berbeda dalam membangun keamanan komunikasi dan kepercayaan digital.

Dari Konsep PQC Menuju Standar yang Dapat Diimplementasikan

Pada artikel sebelumnya, kita telah membahas bagaimana Quantum Computing berpotensi mengancam algoritma cryptography seperti RSA dan ECC. Ancaman tersebut mendorong industri untuk mengembangkan pendekatan cryptography baru yang dirancang agar tetap aman ketika menghadapi kemampuan komputasi kuantum.

Pendekatan tersebut dikenal sebagai Post-Quantum Cryptography (PQC).

Namun, memahami PQC tidak cukup hanya dengan mengetahui bahwa algoritma ini dirancang untuk menghadapi ancaman Quantum Computer. Organisasi juga perlu memahami fungsi setiap algoritma dan bagaimana algoritma tersebut akan digunakan dalam sistem keamanan yang sudah berjalan.

Salah satu tonggak penting dalam pengembangan PQC terjadi pada 13 Agustus 2024. National Institute of Standards and Technology (NIST) menerbitkan tiga standar utama:

FIPS 203: ML-KEM, untuk Key Encapsulation Mechanism.
FIPS 204: ML-DSA, untuk Digital Signature.
FIPS 205: SLH-DSA, untuk Digital Signature berbasis hash.

Ketiganya bukan algoritma yang memiliki fungsi sama. ML-KEM digunakan untuk membangun shared secret antara dua pihak, sedangkan ML-DSA dan SLH-DSA digunakan untuk menghasilkan dan memverifikasi digital signature.

Perbedaan ini penting karena keamanan digital tidak hanya bergantung pada kemampuan mengenkripsi data. Sistem juga harus mampu membangun komunikasi yang aman, memverifikasi identitas, dan memastikan informasi tidak dimodifikasi oleh pihak yang tidak berwenang.

1. ML-KEM: Membangun Shared Secret untuk Komunikasi Aman

ML-KEM (Module-Lattice-Based Key-Encapsulation Mechanism) adalah algoritma PQC yang digunakan untuk membangun shared secret antara dua pihak melalui public channel.

Sebelum memahami ML-KEM, kita perlu melihat bagaimana dua sistem membangun komunikasi terenkripsi.

Misalnya, ketika pengguna mengakses layanan internet banking, browser dan server perlu membangun koneksi yang aman. Salah satu proses di baliknya adalah pembentukan key yang nantinya digunakan untuk melindungi komunikasi.

Dalam sistem konvensional, proses tersebut dapat melibatkan mekanisme seperti RSA key exchange atau Elliptic Curve Diffie-Hellman (ECDH).

ML-KEM menyediakan pendekatan alternatif yang dirancang untuk menghadapi ancaman Quantum Computing.

Bagaimana ML-KEM Bekerja?

Secara konseptual, ML-KEM melibatkan tiga proses utama:

Key Generation: Penerima membuat sepasang key, yaitu public key dan private key.
Encapsulation: Pengirim menggunakan public key penerima untuk menghasilkan ciphertext dan shared secret.
Decapsulation: Penerima menggunakan private key untuk memproses ciphertext dan memperoleh shared secret yang sama.

Setelah kedua pihak memiliki shared secret, nilai tersebut dapat digunakan dalam proses derivasi encryption key untuk membangun komunikasi terenkripsi.

Penting untuk dipahami bahwa ML-KEM bukan algoritma yang secara langsung mengenkripsi seluruh data komunikasi. Fungsinya adalah membangun shared secret yang dapat digunakan bersama symmetric cryptography seperti AES.

Dengan kata lain, ML-KEM dan AES memiliki peran berbeda tetapi dapat bekerja bersama dalam satu arsitektur keamanan.

Tiga Parameter Set ML-KEM

NIST FIPS 203 menetapkan tiga parameter set untuk ML-KEM:

Parameter	Security Category	Karakteristik
ML-KEM-512	Category 1	Parameter dengan kebutuhan resource relatif lebih rendah
ML-KEM-768	Category 3	Tingkat keamanan dan performa menengah
ML-KEM-1024	Category 5	Tingkat keamanan lebih tinggi dengan kebutuhan komputasi dan ukuran data lebih besar

Ketiganya memiliki tingkat keamanan dan karakteristik performa yang berbeda. Secara umum, peningkatan parameter keamanan juga membawa konsekuensi terhadap ukuran key, ciphertext, dan kebutuhan pemrosesan.

Pemilihan parameter tidak seharusnya hanya berdasarkan angka keamanan tertinggi. Organisasi perlu mempertimbangkan kebutuhan aplikasi, performa sistem, kompatibilitas, dan persyaratan keamanan yang berlaku.

Di Mana ML-KEM Digunakan?

ML-KEM relevan untuk sistem yang membutuhkan pembentukan shared secret, antara lain:

Secure communication dan protokol jaringan.
Koneksi antara client dan server.
VPN dan infrastruktur komunikasi.
Sistem pertukaran key untuk aplikasi dan layanan digital.
Koneksi antar-sistem yang membutuhkan perlindungan terhadap ancaman quantum.

Implementasi aktual bergantung pada dukungan protocol, software, hardware, dan vendor yang digunakan.

2. ML-DSA: Melindungi Keaslian dan Integritas Digital

Jika ML-KEM digunakan untuk membangun shared secret, ML-DSA memiliki fungsi yang berbeda.

ML-DSA (Module-Lattice-Based Digital Signature Algorithm) adalah algoritma PQC untuk menghasilkan dan memverifikasi digital signature.

Digital signature memiliki peran penting dalam membangun kepercayaan digital. Signature memungkinkan penerima memverifikasi bahwa suatu informasi berasal dari pemilik private key yang sesuai dan tidak mengalami perubahan setelah ditandatangani.

Contohnya dapat ditemukan dalam berbagai aktivitas:

Penandatanganan dokumen elektronik.
Verifikasi software dan firmware.
Digital certificate.
Authentication berbasis public-key cryptography.
Validasi integritas transaksi dan pesan digital.

Pada sistem konvensional, kebutuhan tersebut dapat menggunakan algoritma seperti RSA dan ECDSA. Namun, keduanya berpotensi terancam oleh Shor’s Algorithm ketika Quantum Computer mencapai kemampuan yang relevan.

ML-DSA dikembangkan sebagai alternatif post-quantum untuk fungsi digital signature tersebut.

Bagaimana ML-DSA Bekerja?

Seperti digital signature pada umumnya, ML-DSA menggunakan pasangan public key dan private key.

Prosesnya secara sederhana terdiri dari:

Key Generation: Sistem menghasilkan pasangan signing key dan verification key.
Signing: Pemilik private key menggunakan signing key untuk menghasilkan signature atas pesan atau dokumen.
Verification: Penerima menggunakan public key untuk memverifikasi signature.

Jika proses verifikasi berhasil, penerima memperoleh bukti cryptographic bahwa signature tersebut sesuai dengan pesan yang diterima dan key yang digunakan untuk menandatanganinya.

ML-DSA menggunakan pendekatan Module-Lattice-Based Cryptography. Keamanannya berkaitan dengan persoalan matematika pada struktur lattice, khususnya varian Module Learning with Errors.

NIST menetapkan tiga parameter set untuk ML-DSA:

Parameter	Security Category	Karakteristik
ML-DSA-44	Category 2	Parameter dengan ukuran key dan signature relatif lebih kecil
ML-DSA-65	Category 3	Tingkat keamanan dan performa menengah
ML-DSA-87	Category 5	Tingkat keamanan lebih tinggi dengan ukuran dan kebutuhan pemrosesan lebih besar

Pemilihan parameter perlu mempertimbangkan kebutuhan keamanan dan karakteristik sistem yang akan menggunakannya.

Mengapa ML-DSA Penting bagi Organisasi?

Digital signature digunakan jauh lebih luas daripada sekadar menandatangani dokumen elektronik.

Bayangkan sebuah perusahaan mendistribusikan software atau firmware ke ribuan perangkat. Setiap pembaruan perlu dipastikan berasal dari sumber yang sah dan tidak dimodifikasi oleh pihak lain.

Jika mekanisme digital signature yang digunakan bergantung pada algoritma yang rentan terhadap serangan quantum, kepercayaan terhadap proses verifikasi tersebut juga berpotensi terdampak.

Karena itu, migrasi ke post-quantum digital signature perlu memperhatikan berbagai komponen, termasuk:

Certificate Authority (CA).
Public Key Infrastructure (PKI).
Certificate issuance dan validation.
Code signing dan firmware signing.
Document signing.
Authentication dan identity verification.

Migrasi tidak cukup hanya mengganti algoritma pada satu aplikasi. Organisasi perlu memastikan seluruh komponen yang terlibat dapat mendukung mekanisme signature baru.

3. SLH-DSA: Alternatif Digital Signature Berbasis Hash

SLH-DSA (Stateless Hash-Based Digital Signature Algorithm) juga digunakan untuk menghasilkan dan memverifikasi digital signature. Namun, pendekatan matematikanya berbeda dari ML-DSA.

SLH-DSA dibangun menggunakan hash-based cryptography, yaitu pendekatan yang mengandalkan karakteristik cryptographic hash function.

Berbeda dari ML-DSA yang menggunakan lattice-based cryptography, SLH-DSA menggunakan konstruksi signature berbasis hash sebagai fondasi keamanannya.

Algoritma ini dikembangkan dari SPHINCS+, yang dipilih NIST untuk distandardisasi sebagai bagian dari proses standardisasi PQC.

Apa yang Membuat SLH-DSA Berbeda?

Salah satu karakteristik penting SLH-DSA adalah sifatnya yang stateless.

Dalam konteks hash-based digital signature, stateless berarti proses signing tidak bergantung pada state yang harus diperbarui dan dikelola secara berurutan setiap kali signature dibuat.

Hal ini berbeda dari sejumlah skema hash-based signature yang bersifat stateful dan membutuhkan pengelolaan state secara hati-hati agar key tidak digunakan secara tidak semestinya.

Dengan pendekatan stateless, pengelolaan operasional signature dapat menjadi lebih sederhana dibandingkan skema hash-based yang membutuhkan state management. Namun, hal ini tidak berarti implementasinya bebas dari kebutuhan pengamanan key dan pengelolaan operasional.

Parameter Set SLH-DSA

NIST FIPS 205 menetapkan 12 parameter set SLH-DSA.

Nama parameter tersebut menggabungkan beberapa karakteristik, antara lain:

SHA2 atau SHAKE: Keluarga hash function yang digunakan.
128, 192, atau 256: Tingkat keamanan yang ditargetkan.
s atau f: Menunjukkan orientasi parameter, yaitu ukuran signature yang lebih kecil (small) atau proses signing yang lebih cepat (fast).

Contohnya:

Parameter	Karakteristik
SLH-DSA-SHA2-128s	Berorientasi pada ukuran signature lebih kecil
SLH-DSA-SHA2-128f	Berorientasi pada proses signing lebih cepat
SLH-DSA-SHAKE-192s	Menggunakan SHAKE dengan orientasi signature lebih kecil
SLH-DSA-SHAKE-256f	Menggunakan SHAKE dengan orientasi signing lebih cepat

Perlu diperhatikan bahwa parameter set tersebut memiliki konsekuensi berbeda terhadap ukuran signature, waktu signing, dan waktu verification.

Salah satu karakteristik SLH-DSA adalah ukuran signature yang relatif besar dibandingkan beberapa skema digital signature lainnya. Hal ini dapat menjadi pertimbangan ketika algoritma digunakan pada sistem dengan keterbatasan bandwidth, storage, atau kebutuhan transaksi dalam jumlah tinggi.

Mengapa Organisasi Perlu Mempertimbangkan SLH-DSA?

SLH-DSA memberikan alternatif digital signature yang didasarkan pada pendekatan hash-based cryptography, bukan lattice-based cryptography.

Keberagaman pendekatan matematika ini penting dalam jangka panjang. Jika organisasi hanya mengandalkan satu keluarga algoritma, perubahan hasil penelitian atau perkembangan cryptanalysis terhadap keluarga tersebut dapat berdampak luas.

Namun, SLH-DSA tidak otomatis menjadi pilihan terbaik untuk seluruh kebutuhan digital signature.

Organisasi tetap perlu mengevaluasi ukuran signature, performa, kebutuhan storage, kompatibilitas aplikasi, dan karakteristik operasional sebelum menentukan algoritma yang digunakan.

ML-KEM, ML-DSA, dan SLH-DSA: Apa Perbedaannya?

Ketiga algoritma tersebut memiliki fungsi dan karakteristik yang berbeda. Memahami perbedaannya membantu organisasi menghindari kesalahan dalam menentukan kebutuhan migrasi.

Aspek	ML-KEM	ML-DSA	SLH-DSA
Standar NIST	FIPS 203	FIPS 204	FIPS 205
Fungsi	Key Encapsulation	Digital Signature	Digital Signature
Pendekatan	Module-Lattice-Based	Module-Lattice-Based	Hash-Based
Kebutuhan utama	Membangun shared secret	Menandatangani dan memverifikasi data	Menandatangani dan memverifikasi data
Pendekatan algoritma sebelumnya	Alternatif untuk mekanisme key establishment seperti ECDH	Alternatif untuk digital signature seperti ECDSA	Alternatif untuk digital signature seperti ECDSA
Parameter set	ML-KEM-512, 768, 1024	ML-DSA-44, 65, 87	12 parameter set berbasis SHA2 dan SHAKE

Dari perbandingan tersebut, terlihat bahwa ML-KEM tidak dapat menggantikan ML-DSA atau SLH-DSA. Sebaliknya, ML-DSA dan SLH-DSA juga tidak dapat digunakan untuk menggantikan fungsi ML-KEM.

Ketiganya dirancang untuk menjawab kebutuhan cryptography yang berbeda.

Bagaimana Ketiga Algoritma Ini Bekerja dalam Ekosistem Keamanan Digital?

Untuk memahami peran masing-masing algoritma, bayangkan sebuah organisasi memiliki aplikasi digital yang melayani ribuan pengguna.

Ketika pengguna mengakses aplikasi tersebut, sistem perlu membangun komunikasi terenkripsi, memverifikasi identitas, dan memastikan integritas data.

Dalam arsitektur yang telah mengadopsi PQC, peran algoritma dapat dibagi sebagai berikut:

1. ML-KEM untuk membangun shared secret

Ketika client dan server membangun koneksi, ML-KEM dapat digunakan sebagai bagian dari mekanisme key establishment untuk menghasilkan shared secret.

2. Symmetric encryption untuk melindungi komunikasi

Shared secret yang telah dibangun dapat digunakan dalam proses derivasi key untuk symmetric encryption, misalnya AES, yang melindungi data selama komunikasi berlangsung.

3. ML-DSA atau SLH-DSA untuk digital signature

Digital signature digunakan untuk memverifikasi keaslian dan integritas pesan, dokumen, software, certificate, atau komponen lain yang membutuhkan mekanisme signature.

Ilustrasi tersebut menunjukkan bahwa PQC tidak berdiri sendiri. Implementasinya merupakan bagian dari arsitektur cryptographic system yang melibatkan berbagai algoritma, protocol, key, certificate, dan infrastruktur pendukung.

Pemilihan algoritma juga tidak selalu dilakukan pada tingkat organisasi secara seragam. Sistem yang berbeda dapat memiliki kebutuhan dan batasan teknis yang berbeda pula.

Apakah Organisasi Harus Menggunakan Ketiga Algoritma Sekaligus?

Tidak selalu.

Walaupun ketiganya merupakan standar PQC yang penting, kebutuhan implementasi bergantung pada fungsi cryptography yang digunakan oleh masing-masing sistem.

Organisasi yang menggunakan RSA atau ECDH untuk key establishment perlu mengevaluasi kebutuhan migrasi menuju mekanisme seperti ML-KEM.

Sementara itu, sistem yang menggunakan RSA atau ECDSA untuk digital signature perlu mengevaluasi alternatif seperti ML-DSA dan SLH-DSA.

Dalam praktiknya, keputusan tersebut perlu mempertimbangkan:

Fungsi cryptography yang digunakan.
Tingkat sensitivitas dan masa kerahasiaan data.
Kebutuhan performa dan kapasitas sistem.
Ukuran key, ciphertext, dan signature.
Kompatibilitas dengan aplikasi, protocol, dan perangkat.
Dukungan dari vendor dan penyedia layanan.
Persyaratan keamanan dan regulasi yang berlaku.

Organisasi juga perlu memperhatikan bahwa penerapan standar algoritma tidak otomatis membuat seluruh sistem menjadi quantum-safe. Implementasi harus dilakukan dengan benar, termasuk pengelolaan key, validasi, konfigurasi, dan integrasi dengan komponen lain.

Langkah Awal Menuju Implementasi PQC

Setelah memahami fungsi ML-KEM, ML-DSA, dan SLH-DSA, pertanyaan berikutnya adalah bagaimana organisasi mempersiapkan implementasinya.

Tidak semua organisasi perlu langsung melakukan penggantian algoritma. Langkah pertama justru memahami cryptographic environment yang sudah digunakan.

Berikut beberapa langkah yang dapat dilakukan:

1. Identifikasi Penggunaan Cryptography

Buat cryptographic inventory untuk mengetahui algoritma, key, certificate, protocol, aplikasi, dan perangkat yang menggunakan cryptography.

2. Kelompokkan Berdasarkan Fungsi

Pisahkan penggunaan cryptography untuk key establishment, digital signature, symmetric encryption, dan hashing. Pengelompokan ini membantu menentukan algoritma PQC yang relevan.

3. Prioritaskan Sistem Berdasarkan Risiko

Identifikasi sistem yang melindungi data sensitif dalam jangka panjang, menggunakan public-key cryptography yang rentan, atau memiliki ketergantungan teknologi yang kompleks.

4. Evaluasi Kesiapan Vendor

Pastikan vendor aplikasi, hardware, cloud services, network infrastructure, dan cryptographic solution memiliki roadmap dukungan PQC yang jelas.

5. Lakukan Pengujian dan Compatibility Assessment

Evaluasi dampak perubahan algoritma terhadap performa, ukuran data, latency, interoperability, dan kebutuhan operasional.

6. Susun Migration Roadmap

Tentukan prioritas, tahapan implementasi, kebutuhan pengujian, dan strategi transisi. Pertimbangkan juga pendekatan hybrid cryptography apabila sesuai dengan rekomendasi standar dan kebutuhan sistem.

Persiapan ini akan membantu organisasi menghindari migrasi yang dilakukan secara reaktif dan tidak terkoordinasi.

Kesimpulan: Memahami Fungsi Algoritma Sebelum Memulai Migrasi

ML-KEM, ML-DSA, dan SLH-DSA merupakan tiga standar penting dalam perkembangan Post-Quantum Cryptography.

Ketiganya memiliki fungsi berbeda:

ML-KEM digunakan untuk membangun shared secret.
ML-DSA digunakan untuk digital signature berbasis lattice.
SLH-DSA digunakan untuk digital signature berbasis hash.

Ketiga algoritma tersebut memberikan fondasi teknis bagi organisasi untuk mulai mempersiapkan transisi dari cryptographic system yang rentan terhadap ancaman quantum.

Namun, memilih algoritma bukan langkah pertama dalam migrasi. Organisasi perlu memahami terlebih dahulu di mana dan bagaimana cryptography digunakan, sistem mana yang paling berisiko, serta bagaimana perubahan dapat dilakukan tanpa mengganggu operasional.

PQC bukan sekadar mengganti algoritma. Ini adalah proses mempersiapkan seluruh ekosistem cryptography agar tetap dapat dipercaya dalam jangka panjang.

Key Takeaways

NIST telah menerbitkan tiga standar utama PQC pada Agustus 2024 melalui FIPS 203, FIPS 204, dan FIPS 205.
ML-KEM digunakan untuk Key Encapsulation dan membangun shared secret, bukan untuk mengenkripsi data secara langsung.
ML-DSA dan SLH-DSA digunakan untuk digital signature, tetapi dibangun menggunakan pendekatan matematika berbeda.
ML-DSA menggunakan lattice-based cryptography, sedangkan SLH-DSA menggunakan hash-based cryptography.
Pemilihan algoritma harus mempertimbangkan fungsi cryptography, security requirements, performa, dan kompatibilitas sistem.
Migrasi PQC perlu dimulai dengan cryptographic inventory, risk assessment, vendor evaluation, dan migration roadmap.

Mulai Persiapkan Infrastruktur Cryptography Anda

Menghadapi era Post-Quantum membutuhkan lebih dari sekadar mengetahui algoritma baru. Organisasi perlu memahami bagaimana cryptography digunakan di seluruh infrastruktur IT, bagaimana key dikelola, dan bagaimana sistem dapat beradaptasi dengan perubahan standar keamanan.

Dymar Jaya Indonesia menyediakan solusi Data Security untuk mendukung kebutuhan perlindungan data dan pengelolaan cryptographic infrastructure organisasi.

Diskusikan kebutuhan dan kesiapan cryptographic environment organisasi Anda bersama tim Dymar untuk mulai menyusun langkah persiapan yang tepat.

FAQ: Pertanyaan Umum tentang Algoritma PQC

1. Apa perbedaan ML-KEM, ML-DSA, dan SLH-DSA?

ML-KEM digunakan untuk membangun shared secret melalui Key Encapsulation Mechanism. ML-DSA dan SLH-DSA digunakan untuk menghasilkan serta memverifikasi digital signature. Perbedaannya terletak pada fungsi dan pendekatan matematika yang digunakan.

2. Apakah ML-KEM menggantikan AES?

Tidak. ML-KEM digunakan untuk membangun shared secret yang dapat menjadi dasar pembentukan encryption key. AES tetap dapat digunakan sebagai symmetric encryption untuk melindungi data.

3. Apa perbedaan ML-DSA dan SLH-DSA?

Keduanya merupakan algoritma post-quantum digital signature. ML-DSA menggunakan pendekatan module-lattice-based cryptography, sedangkan SLH-DSA menggunakan hash-based cryptography. Karakteristik performa dan ukuran signature keduanya juga berbeda.

4. Apa arti angka 512, 768, dan 1024 pada ML-KEM?

Angka tersebut menunjukkan parameter set ML-KEM yang memiliki tingkat keamanan dan karakteristik performa berbeda. ML-KEM-512, ML-KEM-768, dan ML-KEM-1024 masing-masing ditargetkan pada Security Category 1, 3, dan 5 menurut klasifikasi NIST.

5. Apakah organisasi harus menggunakan ML-KEM, ML-DSA, dan SLH-DSA sekaligus?

Tidak selalu. Pemilihan algoritma bergantung pada fungsi cryptography yang digunakan oleh sistem. Organisasi perlu mengevaluasi kebutuhan key establishment dan digital signature secara terpisah.

6. Apakah penggunaan algoritma PQC otomatis membuat sistem quantum-safe?

Tidak. Keamanan sistem juga bergantung pada implementasi, pengelolaan key, konfigurasi, protocol, integrasi, dan komponen cryptography lainnya. Penggunaan algoritma standar merupakan salah satu bagian dari proses migrasi, bukan jaminan keamanan secara otomatis.

7. Dari mana organisasi harus memulai migrasi PQC?

Mulailah dengan cryptographic inventory untuk mengidentifikasi algoritma dan komponen cryptography yang digunakan. Setelah itu, lakukan risk assessment, evaluasi kesiapan vendor, compatibility testing, dan susun migration roadmap.

Dymar Jaya Indonesia