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Geschichte der Kryptographie
Die Geschichte der Kryptographie (geschrieben auch: Kryptografie), also die Verschlüsselung von Texten, Nachrichten oder Daten zum Zwecke der Geheimhaltung, …
Inhalt6 Abschnitte
Grundlagen und frühe Handverfahren
Die Geschichte der Kryptographie beschreibt die Entwicklung der Verschlüsselung von Texten, Nachrichten oder Daten zum Zweck der Geheimhaltung. Ihr Gegenstück ist die Kryptoanalyse oder Kryptanalyse: Sie untersucht kryptographische Verfahren, um sie zu analysieren und möglichst zu brechen, also verschlüsselte Nachrichten zu entziffern. Kryptographie und Kryptoanalyse gehören zusammen zur Kryptologie. Die Entwicklung lässt sich grob in drei Epochen einteilen: Verschlüsselung von Hand, Verschlüsselung mit Maschinen und Verschlüsselung mit Computern.
Die ältesten bekannten Formen reichen bis ins dritte Jahrtausend v. Chr. zurück. In der altägyptischen Kryptographie des Alten Reiches wurden mythologisch-religiöse Texte verschlüsselt, unter anderem weil bestimmte Gottheiten nicht öffentlich ausgesprochen oder geschrieben werden sollten. Weitere frühe Beispiele sind eine mesopotamische Tontafel um 1500 v. Chr., auf der ein Glasurrezept in veränderten Buchstaben notiert wurde, die griechische Skytale des 5. Jahrhunderts v. Chr. als Transpositionsverfahren, das Polybios-Quadrat um 130 v. Chr. und die Caesar-Verschlüsselung, bei der jeder Buchstabe um einen festen Wert im Alphabet verschoben wird.
Im Mittelalter kamen wichtige Beiträge aus der arabischen Welt. Al-Kindī verfasste das erste bekannte Buch zu diesem Thema und beschrieb als Erster statistische Methoden der Kryptoanalyse. In Europa gab es weniger Neuerungen; genannt werden einfache Substitutionen, unbekannte Alphabete, das Weglassen von Vokalen und das „Isruna-Traktat“. Roger Bacon zählte im 13. Jahrhundert sieben Verschlüsselungsmethoden auf.
Renaissance bis Erster Weltkrieg
Mit der Renaissance entwickelte sich die Kryptographie deutlich weiter. Leon Battista Alberti beschrieb 1466 die Chiffrierscheibe, bei der gegeneinander bewegliche Alphabete die Verschlüsselung erleichterten. Ähnliche Geräte waren Chiffrierschieber und Chiffrierstäbchen. Die Vigenère-Chiffre beruhte auf der Tabula recta, die Johannes Trithemius 1508 veröffentlicht hatte und die später unter dem Namen Blaise de Vigenère bekannt wurde. Sie galt lange als unknackbar, wurde 1854 von Charles Babbage entziffert, der dies aber nicht veröffentlichte. Friedrich Wilhelm Kasiski veröffentlichte 1863 ein Verfahren zur Bestimmung der Schlüsselwortlänge und zur Entzifferung.
Das Babington-Komplott von 1586 zeigt die politische Bedeutung von Kryptographie und Kryptoanalyse. Maria Stuart erhielt mit einem Nomenklator verschlüsselte Briefe; Thomas Phelippes entzifferte sie mit Häufigkeitsanalyse. Bis heute ist nicht geklärt, ob die Briefe tatsächlich von Maria Stuart stammen. Weitere bekannte Rätsel sind das Voynich-Manuskript, vermutlich um 1500 entstanden, sowie die Beale-Chiffre und die Dorabella-Chiffre aus dem 19. Jahrhundert; sie gelten bis heute als ungelöst oder umstritten.
Im 19. Jahrhundert führte die Telegrafie zu neuen Anforderungen, weil Leitungen leicht abgehört werden konnten. Auguste Kerckhoffs formulierte Kerckhoffs’ Prinzip: Die Sicherheit eines kryptographischen Verfahrens soll allein auf der Geheimhaltung des Schlüssels beruhen, nicht auf der Geheimhaltung des Verfahrens. Im Ersten Weltkrieg wurden noch viele Handverfahren genutzt, etwa ADFGX, das Georges Painvin im April 1918 knackte. Der Krieg gilt als erster Krieg, in dem Kryptoanalyse systematisch genutzt wurde. Besonders folgenreich war die Zimmermann-Depesche vom 19. Januar 1917, deren Entzifferung durch den britischen Geheimdienst zur Mobilisierung der US-amerikanischen Öffentlichkeit für den Kriegseintritt beitrug.
Maschinen und Zweiter Weltkrieg
Nach den Erfahrungen des Ersten Weltkriegs wurden Verschlüsselungsmaschinen entwickelt, die sicherer sein sollten als manuelle Verfahren. Ein früher Vorläufer war Gottfried Wilhelm Leibniz’ Machina deciphratoria, die er 1688 beschrieb. Sie nahm nach späterer Einschätzung das Prinzip der Rotor-Schlüsselmaschine um mehr als 200 Jahre vorweg. Im 20. Jahrhundert entstanden dann zahlreiche Maschinen, obwohl aus Kostengründen weiterhin manuelle Verfahren verwendet wurden.
Eine besondere Stellung hat das One-Time-Pad, auf Deutsch Einmalblock. Dabei wird ein Text zeichenweise mit einer zufälligen Zeichenfolge verschlüsselt, die nur einmal verwendet wird. Wenn die Folge wirklich zufällig ist und nur einmal benutzt wird, ist jedes Verschlüsselungsergebnis gleich wahrscheinlich; das Verfahren ist dann perfekt sicher. Lange galt Gilbert Vernam als Erfinder, weil er die Idee 1918 vorstellte, doch Frank Miller hatte sie bereits 1882 beschrieben. Joseph O. Mauborgne setzte sie um und prägte den Begriff One-Time Pad. Falsch angewendet, etwa bei Wiederverwendung von Schlüsseln, verliert das Verfahren seine Sicherheit.
Zu den Maschinen gehörten die unsichere Kryha-Maschine, die 1933 in 2 Stunden und 41 Minuten entziffert wurde, sowie Hagelin-Maschinen wie die M-209 und C-52. Im Zweiten Weltkrieg setzte Deutschland unter anderem Enigma, Lorenz-Schlüsselzusatz, Schlüsselfernschreibmaschinen T52 und T43 sowie das Schlüsselgerät 41 ein. Die Enigma wurde ab 1933 intensiv militärisch genutzt und galt in Deutschland fälschlich als „unbrechbar“. Polnische Kryptologen um Marian Rejewski erzielten 1932/33 erste Entzifferungen und übergaben 1939 ihr Wissen an britische und französische Verbündete. In Großbritannien entzifferten Codebreakers um Alan Turing mit der Turing-Bombe ab Januar 1940 den Enigma-Funkverkehr mit wenigen Ausnahmen kontinuierlich.
Die USA nutzten im Zweiten Weltkrieg unter anderem die M-209, die SIGABA und den Navajo-Code. Die SIGABA wurde nach heutigem Wissensstand nie geknackt. Der Navajo-Code beruhte auf Navajo-Sprechern, die militärische Anweisungen in ihre Muttersprache übersetzten. Außerdem entzifferten US-amerikanische Dechiffrierer die japanische PURPLE-Maschine im Rahmen der Aktion MAGIC.
Nachkriegszeit und wissenschaftliche Kryptographie
Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde die Quellenlage zu militärischen Verfahren schlechter, weil viele Informationen geheim blieben. Staaten ohne eigene Kryptotechnik nutzten häufig Hagelin-Maschinen. Ab etwa 1970 übernahmen elektronische Geräte die Aufgabe der Verschlüsselung, womit die Computer-Epoche begann. Claude Shannon veröffentlichte 1949 den Artikel „Die mathematische Kommunikationstheorie der Chiffriersysteme“ und legte zusammen mit seinen Arbeiten zur Informations- und Kommunikationstheorie eine mathematische Grundlage der modernen Kryptographie. Damit wurde die offene wissenschaftliche Diskussion wichtiger als die frühere Sicherheit durch Geheimhaltung des Verfahrens.
Das VENONA-Projekt war ein gemeinsames Projekt der Geheimdienste der USA und des britischen MI5 zur Entschlüsselung sowjetischer Geheimnachrichten. Von 1942 bis 1945 hörte und speicherte die U.S. Army Signal Security Agency viele sowjetische Nachrichten ab. Obwohl sie mit dem eigentlich unknackbaren One-Time-Pad verschlüsselt waren, konnten über 40 Jahre etwa 2.200 Nachrichten entschlüsselt und übersetzt werden, weil die sowjetische Seite Schlüssel mehrfach verwendete. In den ersten Jahren des Kalten Kriegs war VENONA eine wichtige Quelle zu Spionageaktivitäten in den USA.
Computer, Standards und Public Key
Seit den 1970er-Jahren wurde Kryptographie durch Computer zu einer öffentlich betriebenen Forschungsdisziplin. 1976 entstanden zwei wichtige Fortschritte. Der erste war DES, der Data Encryption Standard, entwickelt von IBM und der National Security Agency (NSA), 1977 als FIPS 46-2 veröffentlicht. DES und sicherere Varianten wie 3DES wurden weiterhin etwa bei Bankdienstleistungen eingesetzt.
Der zweite Fortschritt war der Artikel „New Directions in Cryptography“ von Whitfield Diffie und Martin Hellman aus dem Jahr 1976. Er führte eine neue Methode des Schlüsselaustauschs ein und löste die Entwicklung von Public-Key-Verfahren aus. Bei älteren symmetrischen Verfahren dient derselbe geheime Schlüssel zum Verschlüsseln und Entschlüsseln; er muss daher sicher zwischen den Kommunikationspartnern ausgetauscht werden. Bei der Public-Key-Kryptographie gibt es ein Schlüsselpaar: einen öffentlichen Schlüssel zum Verschlüsseln oder Prüfen und einen privaten Schlüssel, der geheim bleibt und zum Entschlüsseln oder Signieren dient. Solche Verfahren heißen asymmetrisch. Ein bekanntes Beispiel ist RSA von Ronald L. Rivest, Adi Shamir und Leonard Adleman aus dem Jahr 1977. Die Sicherheit faktorisierungsbasierter Public-Key-Kryptographie beruht darauf, dass die Zerlegung eines hinreichend langen Produkts großer Primzahlen als nicht praktikabel gilt.
1991 veröffentlichte Phil Zimmermann Pretty Good Privacy (PGP) im Usenet, eine RSA-basierte Verschlüsselung für die breite Öffentlichkeit, die auch digitale Unterschriften für E-Mails ermöglichte. 1997 begann die Suche nach einem Nachfolger für DES. Nach öffentlicher Analyse internationaler Vorschläge wurde im Jahr 2000 Rijndael wegen seiner Geschwindigkeit als Advanced Encryption Standard (AES) ausgewählt. In den 1990er-Jahren wurden staatliche Versuche, private Verschlüsselung einzuschränken, als Crypto Wars bekannt.
Quantenkryptographie und Forschung
Quantenkryptographie nutzt quantenmechanische Effekte bei Quantenkommunikation oder Quantencomputern. Wichtige Beispiele sind der Quantenschlüsselaustausch und der noch nicht praktikable Shor-Algorithmus zum Faktorisieren großer Zahlen. Der besondere Punkt ist, dass Quantenverfahren Möglichkeiten eröffnen, die klassisch, also ohne Quanteneffekte, nicht möglich sind. Bei einem Quantenkanal kann zum Beispiel ein Lauscher entdeckt werden, weil seine Messung die gesendeten Daten beeinflusst.
Die Geschichte der Kryptographie ist selbst ein Forschungsgebiet. Als Begründer der Kryptographie-Geschichtsforschung gilt David Kahn, dessen Buch „The Codebreakers“ von 1967 das Thema systematisch behandelte und als Standardwerk gilt. Die Zeitschrift „Cryptologia“ ist eine wichtige Publikation für neue Forschungsergebnisse. Besonders stark interessiert sich die Forschung für die Zeit von 1920 bis heute. Trotz vieler Fortschritte bestehen Lücken, etwa zur Kryha-Maschine, zur Kryptographie in der DDR und zur Kryptographie der Sowjetunion. Für historische Verfahren gibt es außerdem Simulationsprogramme; die Open-Source-Software CrypTool unterstützt neben modernen Verfahren auch manuelle Verfahren und eine Enigma-Verschlüsselung.
