Verschlüsselung

Kernidee und Zweck

Verschlüsselung, auch Chiffrierung oder Kryptierung genannt, ist die Umwandlung von Informationen in eine nicht direkt verständliche Form. Die ursprüngliche Information heißt Klartext, das Ergebnis heißt Geheimtext, Chiffrat oder Schlüsseltext. Die Umwandlung geschieht mit einem kryptografischen Verfahren und einem Schlüssel, der geheim bleiben soll und nur befugten Personen bekannt sein darf.

Der Zweck der Verschlüsselung ist die Geheimhaltung von Information. Sie soll zum Beispiel militärische Nachrichten, schriftliche Mitteilungen, E-Mails, Webseiten oder gespeicherte Daten vor unbefugtem Mitlesen schützen. Obwohl die Begriffe historisch oft auf Text bezogen sind, können auch Sprachnachrichten, Bilder, Videos oder der Quellcode von Computerprogrammen verschlüsselt werden. Die grundlegenden kryptografischen Prinzipien bleiben dabei gleich.

Die Wissenschaft vom geheimen Schreiben heißt Kryptographie oder Kryptografie. Zusammen mit der Kryptanalyse, also der Untersuchung und möglichen Entzifferung von Geheimtexten, gehört sie zur Kryptologie. Eine klare Fachsprache ist dabei wichtig: Entschlüsseln bedeutet, einen Geheimtext mithilfe des richtigen Schlüssels wieder in Klartext umzuwandeln. Entziffern bedeutet dagegen, den Klartext ohne vorherige Kenntnis des Schlüssels herauszufinden.

Schlüssel, Entschlüsselung und Sicherheit

Der Schlüssel ist der entscheidende Parameter einer Verschlüsselung. Eine gute Schlüsselwahl und die Geheimhaltung des Schlüssels sind wichtige Voraussetzungen dafür, dass das Geheimnis gewahrt bleibt. Bei vielen klassischen und manchen modernen Verfahren ist der Schlüssel ein Passwort, auch Kennwort, Schlüsselwort, Codewort, Losung oder Parole genannt. Bei modernen Verfahren, etwa bei E-Mail-Verschlüsselung, wird der Schlüssel oft automatisch erzeugt. Dadurch wird der menschliche Faktor verringert, also die Gefahr, dass ein zu kurzes oder leicht zu erratendes Passwort gewählt wird.

Bei der Entschlüsselung gewinnt der berechtigte Empfänger den Klartext aus dem Geheimtext zurück. Bei lange Zeit bekannten symmetrischen Verfahren ist der Schlüssel zum Entschlüsseln derselbe wie der Schlüssel zum Verschlüsseln. Der Vorgang muss aber nicht genau gleich ablaufen. Wenn Verschlüsselung und Entschlüsselung identisch sind, wie bei der deutschen Schlüsselmaschine Enigma aus dem Zweiten Weltkrieg, nennt man dies involutorisch.

Der Schlüssel muss vor der Kommunikation vereinbart oder ausgetauscht werden, etwa über eine geheime Schlüsseltafel, per Kurier oder bei Computern über kryptografische Schlüsselaustauschprotokolle. Gerät ein Schlüssel in fremde Hände, können auch Dritte den Geheimtext lesen. Geht bei asymmetrischen Verfahren der private Schlüssel verloren, kann der Geheimtext nicht mehr entschlüsselt werden.

Eine starke Verschlüsselung ist nach heutigem Kenntnisstand nicht mit vertretbarem Aufwand zu entziffern. Eine schwache Verschlüsselung kann dagegen mit kryptanalytischen Methoden gebrochen werden. Viele Verfahren gelten nur pragmatisch als sicher: Bei ihrer Analyse wurde bisher keine praktikable Entzifferungsmöglichkeit gefunden. Das Vertrauen steigt, wenn ein Verfahren lange öffentlich bekannt und weit verbreitet ist, weil es dann von vielen Fachleuten untersucht wurde. Für manche Verfahren hängt die Sicherheit von mathematischen Annahmen ab. Beim RSA-Kryptosystem kann der private Schlüssel aus dem öffentlichen Schlüssel genau dann effizient berechnet werden, wenn man eine große Zahl in der Größenordnung von einigen hundert Dezimalstellen effizient in ihre Primfaktoren zerlegen kann. Ein Verfahren mit von Claude Shannon in den 1940er-Jahren bewiesener perfekter Sicherheit ist das One-Time-Pad, deutsch Einmalblock.

Beispiel Caesar-Verschlüsselung

Ein einfaches Beispiel ist die Caesar-Verschlüsselung. Dabei wird jeder Buchstabe des Klartextes durch einen im Alphabet verschobenen Buchstaben ersetzt. Im Artikel wird als Klartext „kommeumachtzehnuhrmitdenplaenenzurkapelle“ genannt. Mit dem Schlüssel „C“, also dem dritten Buchstaben des lateinischen Alphabets, wird jeder Buchstabe um drei Stellen verschoben. Aus „a“ wird „D“, aus „b“ wird „E“, und wenn das Ende des Alphabets erreicht ist, beginnt man wieder vorne; aus „z“ wird also „C“. Der Geheimtext lautet: „NRPPHXPDFKWCHKQXKUPLWGHQSODHQHQCXUNDSHOOH“.

Der Geheimtext ist auf den ersten Blick unverständlich und verbirgt die Information vor Unbefugten. Die Sicherheit dieses Verfahrens ist aber sehr schwach. Sie hängt im Wesentlichen davon ab, dass ein Angreifer das Verfahren nicht kennt. Das nennt man Security through obscurity. Außerdem ist der Schlüsselraum sehr klein: Es gibt nur 25 mögliche Verschiebungen. Ein Angreifer kann den Schlüssel daher leicht durch die Brute-Force-Methode, auch Exhaustionsmethode genannt, ausprobieren. Die Caesar-Verschlüsselung ist deshalb leicht zu entziffern.

Das Beispiel zeigt auch, dass sich der Kenntnisstand über Sicherheit im Lauf der Geschichte ändern kann. Die Vigenère-Verschlüsselung galt über Jahrhunderte als „Le Chiffre indéchiffrable“, also als unentzifferbare Verschlüsselung. Heute weiß man, dass sie nicht unentzifferbar ist. Ein modernes Verfahren ist der Advanced Encryption Standard, kurz AES, der zurzeit als praktisch unbrechbar gilt und Gegenstand zahlreicher kryptanalytischer Untersuchungen ist.

Symmetrische und asymmetrische Verfahren

Grundsätzlich unterscheidet man klassische und moderne symmetrische Verschlüsselungsverfahren sowie asymmetrische Verfahren, die erst seit den 1970er-Jahren bekannt sind. Bei symmetrischer Verschlüsselung wird derselbe Schlüssel für Verschlüsselung und Entschlüsselung verwendet.

Bei historischen symmetrischen Verfahren gibt es zwei wichtige Klassen. Bei Substitutionsverfahren werden Zeichen des Klartextes durch andere Zeichen ersetzt, wie bei der Caesar-Verschlüsselung. Bei Transpositionsverfahren bleiben die Zeichen selbst gleich, aber ihre Reihenfolge wird verändert. Eine einfache Form ist die Revertierung, also das Umkehren eines Textes: Aus „GEHEIMNIS“ wird „SINMIEHEG“.

Moderne symmetrische Verfahren werden unter anderem in Stromverschlüsselungen und Blockverschlüsselungen eingeteilt. Bei einer Stromverschlüsselung werden die Zeichen des Klartextes einzeln und nacheinander verschlüsselt. Bei einer Blockverschlüsselung wird der Klartext zunächst in Blöcke einer bestimmten Größe aufgeteilt. Wie diese Blöcke dann verschlüsselt werden, bestimmt der Betriebsmodus. Moderne Blockchiffren wie DES, der Data Encryption Standard, beruhen weiterhin auf den Grundideen Substitution und Transposition. Ihre Stärke entsteht wesentlich durch wiederholte Kombinationen in vielen Runden; meistens steigt die Stärke mit der Anzahl der Runden.

Bei asymmetrischer Verschlüsselung gibt es zwei verschiedene Schlüssel. Der öffentliche Schlüssel dient zum Verschlüsseln und darf weitergegeben oder veröffentlicht werden. Der private Schlüssel dient zum Entschlüsseln und wird nicht weitergegeben. Jeder kann mit dem öffentlichen Schlüssel eine Nachricht verschlüsseln, aber nur der Besitzer des passenden privaten Schlüssels kann sie entschlüsseln. Nicht einmal der Verschlüssler selbst kann die so verschlüsselte Nachricht ohne privaten Schlüssel wieder entschlüsseln.

Asymmetrische Verfahren können auch umgekehrt genutzt werden: Eine Person verwendet ihren privaten Schlüssel, um eine Information oder eine Prüfsumme zu verschlüsseln. Mit dem öffentlichen Schlüssel kann dann überprüft werden, dass die Information von dieser Person stammt und nicht verändert wurde. Dies dient der Authentifizierung beziehungsweise der digitalen Signatur. Da asymmetrische Verfahren algorithmisch aufwändiger und langsamer sind als symmetrische, verwendet man in der Praxis oft Hybrid-Verfahren. Dabei wird zum Beispiel zuerst ein zufällig erzeugter Sitzungsschlüssel asymmetrisch ausgetauscht und anschließend für eine symmetrische Verschlüsselung der eigentlichen Daten genutzt.

Moderne Anwendungen

Bei der Nachrichtenübertragung in Netzwerken werden verschlüsselte Nachrichten, etwa E-Mails oder Webseiten, meist über mehrere Computersysteme weitergeleitet. Dabei unterscheidet man Leitungsverschlüsselung und Ende-zu-Ende-Verschlüsselung.

Bei der Leitungsverschlüsselung wird die Nachricht jeweils nur für den nächsten Rechner verschlüsselt. Dieser Nachbarrechner entschlüsselt sie, verschlüsselt sie erneut, möglicherweise mit einem anderen Verfahren, und sendet sie weiter. Ein Vorteil ist, dass sich jeweils nur benachbarte Rechner auf Verfahren und Schlüssel einigen müssen. Außerdem kann diese Art der Verschlüsselung auf einer niedrigen Protokollebene liegen, zum Beispiel schon in der Übertragungs-Hardware. Der Nachteil ist, dass jeder Rechner auf dem Weg vertrauenswürdig und sicher sein muss, weil er die Nachricht im Klartext verarbeitet.

Bei der Ende-zu-Ende-Verschlüsselung wird die Nachricht beim Absender verschlüsselt und unverändert bis zum Empfänger übertragen. Die Zwischenstationen können den Klartext nicht sehen. Der Nachteil ist, dass sich der Absender mit jedem möglichen Empfänger auf ein Verschlüsselungsverfahren und passende Schlüssel einigen muss.

Auch gespeicherte Daten können verschlüsselt werden. Die Verschlüsselung ganzer Festplatten oder Partitionen heißt Festplattenverschlüsselung. Sie kann durch Software oder Hardware erfolgen. Mit Verschlüsselungssoftware kann auch ein Datencontainer beliebiger Größe verschlüsselt werden, der als einzelne Datei im Dateisystem liegt. Bei Hardware-Verschlüsselung arbeitet ein integriertes Verschlüsselungsmodul automatisch und ist für das Betriebssystem transparent. Nach Eingabe eines Passworts wird der Schlüssel mithilfe einer Schlüsselableitungsfunktion berechnet und meist im Controller des Datenträgers gespeichert, solange dieser in Betrieb ist. Externe Festplatten können zur Erhöhung der Sicherheit eine physische Tastatur für einen PIN-Code oder einen Fingerabdruckscanner besitzen.