Verschlüsselung

Verschlüsselung nennt man den Vorgang, bei dem ein „Klartext“ mit Hilfe eines Verschlüsselungsverfahrens (Algorithmus) in einen „Geheimtext“ umgewandelt wird. Als Parameter des Verschlüsselungsverfahrens werden ein oder mehrere Schlüssel verwendet. Das Forschungsgebiet, das sich mit der Verschlüsselung und ihrer Geschichte beschäftigt, wird als Kryptografie bezeichnet.

Den umgekehrten Vorgang, also die Verwandlung des Geheimtextes zurück in den Klartext, nennt man Entschlüsselung. Die Algorithmen zur Ver- bzw. Entschlüsselung müssen nicht identisch sein. Ebensowenig müssen identische Schlüssel zum Einsatz kommen. Das Forschungsgebiet der Entschlüsselung heißt Kryptoanalyse und ist natürlich eng verwandt mit der Kryptografie.

In der zwischenmenschlichen Kommunikation meint Verschlüsselung allgemeiner den Ausdruck von Informationen, was zwecks Transport an ein Gegenüber mittels Symbolen erfolgt, von welchem entsprechend eine Deutung der Symbole erfolgt. Als Symbole dienen hierbei z.B. Sprache, Mimik, Gestik, Lautierungen. Das richtige Verstehen einer Nachricht kann unter Umständen problematisch sein, weil eine korrekte Deutung der Symbole im Sinne der Absicht des Senders nicht immer gelingt (vgl. Vier-Seiten-Modell).

Kryptografie und Kryptoanalyse

Als Vertreter historisch gegensätzlicher Interessen stehen sich Kryptografen und Kryptoanalytiker gegenüber. Die Entwicklung der Verschlüsselungstechniken erfolgte meist im Militär. Die eine Seite (Kryptografen) versuchte ihre Nachrichten zu verschlüsseln - die Gegenseite (Kryptoanalytiker) versuchte diese zu entziffern. Heute ist die Forschung auf dem Gebiet der Verschlüsselung wesentlich breiter. Es gibt zahlreiche Personen wie auch Institutionen, die sowohl neue Verschlüsselungstechniken entwickeln als auch gleichzeitig versuchen, bestehende zu brechen.

In der Hoffnung, einem kryptografischen Verfahren dadurch zusätzliche Sicherheit zu verleihen, wurden Verschlüsselungsalgorithmen gerne geheim gehalten. Die Vergangenheit hat gezeigt, dass in Wahrheit das Risiko heimlicher, aber routinemäßiger Angriffe auf verschlüsselte Information oder Transportwege viel zu hoch ist. Daher bemühen sich ernstzunehmende Wissenschaftler heute, die Algorithmen von einer breiten Öffentlichkeit analysieren zu lassen. Denn nur, so lange möglichst viele Fachleute keine Schwachstelle finden, gilt ein Verfahren noch als sicher (siehe auch Kerckhoffs Prinzip).

Schlüsselverteilung

Eine grobe Unterscheidung in symmetrische und asymmetrische Verschlüsselungssysteme ergibt sich aus der Weise, wie kryptografische Schlüssel an die am Verfahren Beteiligten vermittelt werden:

Bei symmetrischen Systemen besitzen beide Kommunikationspartner denselben Schlüssel und müssen diesen vor Beginn der Kommunikation sicher ausgetauscht haben (z.B. mittels Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch oder der Zusendung per Post). Bekannte klassische symmetrische Verfahren sind die Cäsar-Chiffre, der DES (komplexitätstheoretisch sicher) und das One-Time-Pad (informationstheoretisch sicher). Zu den modernen und derzeit als sicher angesehenen Verfahren gehören der Rijndael, Twofish sowie 3DES, wobei dem Rijndael durch seine Erhebung zum Advanced Encryption Standard und aufgrund seiner Bevorzugung durch staatliche US-amerikanische Stellen eine herausragende Rolle zukommt.

Asymmetrische Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass für jeden Teilnehmer ein Schlüsselpaar generiert wird. Ein Schlüssel jedes Paars wird veröffentlicht, der andere bleibt geheim. Die Asymmetrie ergibt sich, weil ein Schlüssel eines Paars immer nur ver- und der andere immer nur entschlüsseln kann. Das bekannteste dieser Verfahren ist das RSA-Kryptosystem.

Verschlüsselungsoperationen

Man unterscheidet zwei grundlegende Verschlüsselungsoperationen, die einzeln oder in Kombination eingesetzt werden können, um Nachrichten zu verschlüsseln.

Transposition: Bei einer Transposition werden die Zeichen untereinander vertauscht. Zum Beispiel wird der Text rückwärts geschrieben, oder man vertauscht jeden 2. mit jedem 5. Buchstaben.
Substitution: Bei der Substitution werden Zeichen durch andere ersetzt. Zum Beispiel werden alle Buchstaben durch Zahlen ersetzt.

Verschlüsselungsmodi

Wenn Verschlüsselungen bei derselben Klartext-Eingabe immer zu denselben Geheimtexten führen, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, der Verschlüsselung durch analytische Verfahren auf die Spur kommen zu können. Man unterscheidet daher die folgenden Verschlüsselungsmodi:

Electronic code book (ECB): Aus einem Klartextblock wird immer derselbe Geheimtext erzeugt.
Cipher block chaining (CBC): In die Verschlüsselung fließt der jeweils vorher verschlüsselte Block ein.
Cipher Feedback (CFB)
Output Feedback (OFB)

Insgesamt führt dabei auch CBC bei identischer Klartext-Eingabe zu immer demselben Geheimtext (nur wenn immer der gleiche Initialisierungsvektor verwendet wird!). Beide Verfahren sind also letztlich deterministisch. Doch unterscheiden sich innerhalb eines Klartextes die Transformationen: Wenn im Klartext zweimal derselbe Klartext-Block aufeinanderfolgt, führen CBC-Verfahren im Gegensatz zu ECB-Verfahren zu unterschiedlichen Geheimtextblöcken.

Klartextverarbeitung

Klartexte können bei den meisten Verfahren nicht als Ganzes verschlüsselt werden, da die verwendeten Algorithmen bezüglich der Menge der zu verschlüsselnden Daten limitiert sind. Je nach Art der Klartextverarbeitung unterscheidet man daher zwei unterschiedliche Verfahren:

Bei der Blockverschlüsselung wird der Klartext vor der Verschlüsselung in Blöcke gleicher Größe aufgeteilt. Diese Blöcke werden dann einzeln verschlüsselt.
Bei der Stromverschlüsselung wird der Klartext zeichen- oder bitweise verschlüsselt. Solche Algorithmen bezeichnet man auch als Online-Algorithmen.

Blockbasierte Verfahren liefern in der Regel bessere Ergebnisse. Allerdings müssen zu kleine Blöcke dabei durch bedeutungslose Zeichen aufgefüllt werden, so dass sie eine höhere Übertragungskapazität in Anspruch nehmen.

Übertragung der Nachricht

Eine verschlüsselte Nachricht muss in der Regel über mehrere Stationen übertragen werden. Heute handelt es sich dabei meist um einzelne Computersysteme, d.h. die verschlüsselte Nachricht wird über ein Computernetzwerk übertragen. Man unterscheidet dabei zwei grundlegend unterschiedliche Übertragungsweisen:

Bei der Leitungsverschlüsselung wird die Nachricht nur jeweils für den Nachbarcomputer verschlüsselt. Dieser entschlüsselt die Nachricht, verschlüsselt sie wiederum (mit einem möglicherweise anderen Verfahren) und schickt sie an seinen Nachbarn - und so weiter bis zum Zielrechner. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass sich jeweils nur Nachbarrechner auf ein Verschlüsselungsverfahren und verwendete Schlüssel einigen müssen. Darüber hinaus kann diese Übertragungsweise auf einer sehr niedrigen Protokollebene (etwa bereits in der Übertragungshardware) angesiedelt werden. Der Nachteil besteht darin, dass jeder einzelne Rechner auf dem Übertragungsweg vertrauenswürdig und sicher sein muss.
Bei der Ende-zu-Ende-Verschlüsselung wird die Nachricht vom Absender verschlüsselt und in dieser Form unverändert über mehrere Rechner hinweg zum Empfänger übertragen. Hier hat keiner der übertragenden Rechner Einsicht in den Klartext der Nachricht. Der Nachteil besteht allerdings darin, dass sich der Absender mit jedem möglichen Empfänger auf ein Verschlüsselungsverfahren und zugehörige(n) Schlüssel einigen muss.

Literatur

Klaus Schmeh: Die Welt der geheimen Zeichen. w3l 2004 , ISBN 3-937137-90-4
Bruce Schneier: Angewandte Kryptographie. John Wiley & Sons, 1996, ISBN 0-471-11709-9
Simon Singh: Geheime Botschaften. Dtv 2001, ISBN 3-423-33071-6

Siehe auch

Weblinks

Weitere Erklärung

Eine Einführung in die Anwendung der Verschlüsselung

Freie Software zur Verschlüsselung