Symmetrisches Kryptosystem

Grundidee und formale Definition

Ein symmetrisches Kryptosystem ist ein Verschlüsselungssystem, bei dem beide Kommunikationspartner denselben Schlüssel verwenden. Dieser Schlüssel dient sowohl zum Verschlüsseln eines Klartexts als auch zum Entschlüsseln des Chiffrats, also des verschlüsselten Textes. Bei einigen Verfahren, etwa IDEA, sind die Schlüssel für beide Richtungen zwar nicht identisch, lassen sich aber leicht voneinander berechnen.

Formal besteht ein symmetrisches Verschlüsselungsverfahren aus dem Tupel (M,C,K,E,D). M ist die Menge möglicher Klartexte, C die Menge möglicher Chiffrate und K die Menge erlaubter Schlüssel. E: K × M → C bezeichnet die Verschlüsselungsfunktion, D: K × C → M die Entschlüsselungsfunktion. Korrekt ist das Verfahren nur, wenn für alle k ∈ K und m ∈ M gilt: D(k,E(k,m)) = m. Nach dem Entschlüsseln muss also wieder genau der ursprüngliche Klartext entstehen.

Der Artikel behandelt Verschlüsselungsverfahren; gelegentlich werden auch Message Authentication Codes als symmetrische Kryptosysteme bezeichnet.

Arten der Verschlüsselung

Symmetrische Verfahren werden in blockchiffrenbasierte Verfahren und Stromchiffren eingeteilt.

Bei einer Stromchiffre wird der Klartext Zeichen für Zeichen verschlüsselt beziehungsweise der Geheimtext Zeichen für Zeichen entschlüsselt. Eine Blockchiffre verarbeitet dagegen mehrere Zeichen gleichzeitig in Blöcken fester Größe. Damit sie Texte beliebiger Länge verschlüsseln kann, braucht sie Betriebsmodi. Diese legen fest, wie die Blockchiffre eingesetzt wird.

Schlüsselaustausch und hybride Verschlüsselung

Das zentrale Problem symmetrischer Verfahren ist die Verteilung des gemeinsamen Schlüssels: Neben der verschlüsselten Information muss auch der Schlüssel zum Empfänger gelangen. Da die Sicherheit von seiner Geheimhaltung abhängt, muss der Schlüssel über einen sicheren Kanal übertragen werden. Früher wurde er typischerweise persönlich durch einen Boten überbracht.

Seit den 1970er Jahren ermöglichen asymmetrische Schlüsselaustauschprotokolle wie der Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch, Schlüssel auch über einen abgehörten Kanal sicher zu übertragen. Alternativ kann ein asymmetrisches Verschlüsselungsverfahren den symmetrischen Schlüssel verschlüsseln, bevor dieser über einen unsicheren Kanal gesendet wird. Diese Kombination heißt hybride Verschlüsselung: Die symmetrische Verschlüsselung bietet beispielsweise höhere Geschwindigkeit, während die asymmetrische Verschlüsselung den Schlüssel vor dem Zugriff eines Angreifers schützt.

Wichtige Verfahren

Zu den Blockchiffren gehören AES (Advanced Encryption Standard) beziehungsweise Rijndael, der US-amerikanische Nachfolger von DES, entwickelt von Joan Daemen und Vincent Rijmen. DES (Data Encryption Standard) oder Lucifer war bis Oktober 2000 Verschlüsselungsstandard der USA; Lucifer wurde 1974 von IBM entwickelt, die Version für Privatanwender heißt Data Encryption Algorithm (DEA). Triple-DES ist eine Weiterentwicklung von DES, dreimal langsamer, aber um Größenordnungen sicherer.

Weitere Blockverschlüsselungsverfahren sind IDEA, 1990 an der ETH Zürich entwickelt und in PGP eingesetzt, Blowfish von Bruce Schneier aus dem Jahr 1993, Twofish vom Counterpane Team, CAST-128 und CAST-256 von Carlisle M. Adams, RC2, RC5 und RC6 von Ronald L. Rivest sowie Serpent von Ross Anderson, Eli Biham und Lars Knudsen.

Zu den Stromchiffren zählen ChaCha, das neben AES in TLS 1.3 verwendet wird, sowie QUISCI (Quick Stream Cipher), ein 2001 von Stefan Müller entwickeltes sehr schnelles Verfahren. RC4 ist ebenfalls ein Rivest Cipher. Das One-Time-Pad ist ein unbrechbares Einmalschlüssel-Verfahren von Gilbert Vernam und Joseph Mauborgne.