Verschlüsselung

Verschlüsselung (auch: Chiffrierung oder Kryptierung)^[1] ist die von einem Schlüssel abhängige Umwandlung von „Klartext“ genannten Daten in einen „Geheimtext“ (auch: „Chiffrat“), so dass der Klartext aus dem Geheimtext nur unter Verwendung eines geheimen Schlüssels wiedergewonnen werden kann. Sie dient zur Geheimhaltung von Nachrichten, beispielsweise um Daten gegenüber unbefugtem Zugriff zu schützen oder um Nachrichten vertraulich übermitteln zu können.

Aufgabe für Lernende

Identifizieren Sie Bereich in der Kommunikation, Medizin, Finanzwesen,... und anderen Bereichen, in denen die Verschlüsselung ein wichtige Rolle spielt.
Welche Rolle spielen die Betriebssysteme für die Verschlüsselung?
Welche Nachrichten im privaten Bereich sollten Ihrer Meinung nach digital verschlüsselt werden?
Für welche digitalen Aktivitäten würden Sie gerne eine Verschlüsselung einführen und was hindert Sie daran?
Halten Sie es für sinnvoll, dass das Thema Verschlüsselung und Schutz der Privatsphäre einen hohen Stellenwert in der Ausbildung einnimmt oder ist das Thema Verschlüsselung eine zu komplexe technische Fragestellung, die die Ausbildung nur am Rande betreffen sollte.
Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Verschlüsselung und der Informatik auf der einen Seiten und zur Mathematik (speziell Zahlentheorie) auf der anderen Seite.
Telemedizin ist unter Kontakteinschränkung eine Option. Bei diese Kommunikation werden ggf. sensible Daten und Gespräche digital übertragen, die nicht in außerhalb des Patient-Arzt-Verhältnisses verbreiten werden dürfen. Wie können Ärzte und Patienten die Datensicherheit gewährleisten und mit welchen Mitteln?

Grundlagen

Das Verschlüsseln

Durch Verschlüsseln wird ein „Klartext“, also ein klar lesbarer Text, in einen „Geheimtext“, also in eine unverständliche Zeichenfolge umgewandelt. Die Begriffe Klartext und Geheimtext sind historisch gewachsen und symbolisch zu sehen. Außer Textnachrichten lassen sich auch andere Arten von Information verschlüsseln, wie Sprachnachrichten, Bildaufzeichnungen oder der Quellcode von Programmen. Die dahinterstehenden kryptographischen Prinzipien bleiben die gleichen.

Kryptographisches Codebuch aus dem amerikanischen Bürgerkrieg

Eine besondere und relativ einfache Art der Verschlüsselung ist die Codierung (auch: Kodierung). Hierbei werden in der Regel nicht einzelne Klartextzeichen oder kurze Zeichenkombinationen verschlüsselt, sondern ganze Worte, Satzteile oder ganze Sätze. Beispielsweise können wichtige Befehle wie „Angriff im Morgengrauen!“ oder „Rückzug von den Hügeln!“ bestimmten Codewörtern oder unverständlichen Zeichenkombinationen aus Buchstaben, Ziffern oder anderen Geheimzeichen zugeordnet werden. Dies geschieht zumeist als tabellarische Liste, beispielsweise in Form von Codebüchern. Zur Steigerung der kryptographischen Sicherheit von Codes werden die damit erhaltenen Geheimtexte oft einem zweiten Verschlüsselungsschritt unterworfen. Dies wird als Überschlüsselung (auch: Überverschlüsselung) bezeichnet. Außer geheimen Codes gibt es auch offene Codes, wie den Morsecode und ASCII, die nicht kryptographischen Zwecken dienen und keine Verschlüsselung darstellen.

Der Schlüssel

Der entscheidend wichtige Parameter bei der Verschlüsselung ist der „Schlüssel“. Die gute Wahl eines Schlüssels und sein sicherer Schutz vor unbefugtem Zugriff sind wichtige Voraussetzungen zur Wahrung des verschlüsselten Geheimnisses. Im Fall der Codierung stellt das Codebuch den Schlüssel dar. Im Fall der meisten klassischen und auch einiger moderner Methoden zur Verschlüsselung ist es ein Passwort (auch: Kennwort, Schlüsselwort, Codewort oder Kodewort, Losung, Losungswort oder Parole von italienisch la parola „das Wort“; englisch: password). Bei vielen modernen Verschlüsselungen, beispielsweise bei der E-Mail-Verschlüsselung, wird dem Benutzer inzwischen die (Qual der) Wahl eines Schlüssels abgenommen. Der Schlüssel wird automatisch generiert, ohne dass er es bemerkt. Hierdurch wird auch der „menschliche Faktor“ eliminiert, nämlich die nicht selten zu sorglose Wahl eines unsicheren, weil zu kurzen und leicht zu erratenden, Passworts.

Das Entschlüsseln

Der zur Verschlüsselung umgekehrte Schritt ist die Entschlüsselung. Zum Entschlüsseln wird der geheime Schlüssel benötigt, mit dessen Hilfe der befugte Empfänger den Geheimtext wieder in den Klartext zurückverwandeln kann. Geht der Schlüssel verloren, dann lässt sich der Geheimtext nicht mehr entschlüsseln. Gerät der Schlüssel in fremde Hände, dann können auch Dritte den Geheimtext lesen, das Geheimnis ist also nicht länger gewahrt. Ein zusammenfassender Begriff für Verschlüsseln und/oder Entschlüsseln ist das Schlüsseln.

Das Entziffern

Sprachlich zu trennen von der Entschlüsselung ist der Begriff der „Entzifferung“. Als Entzifferung wird die Kunst bezeichnet, dem Geheimtext seine geheime Nachricht zu entringen, ohne im Besitz des Schlüssels zu sein. Dies ist die Tätigkeit eines Kryptoanalytikers, häufig auch als „Codeknacker“ (engl.: codebreaker) bezeichnet. Im Idealfall gelingt keine Entzifferung, weil das Verschlüsselungsverfahren ausreichend „stark“ ist. Es wird dann als „unbrechbar“ oder zumindest als „kryptographisch stark“ bezeichnet. Im Gegensatz zu einer „starken Verschlüsselung“ lässt sich eine „schwache Verschlüsselung“ ohne vorherige Kenntnis des Schlüssels mit vertretbarem Aufwand mithilfe kryptanalytischer Methoden brechen. Durch Fortschritte in der Kryptologie kann sich eine vermeintlich starke Verschlüsselung im Laufe der Zeit als eine schwache Verschlüsselung herausstellen. So galt beispielsweise die „Vigenère-Verschlüsselung“ über Jahrhunderte hinweg als „Le Chiffre indéchiffrable“ (deutsch: „Die unentzifferbare Verschlüsselung“). Inzwischen weiß man, dass dem nicht so ist.

Das Arbeitsgebiet, das sich mit der Entzifferung von Geheimtexten befasst, ist die Kryptanalyse (älterer Ausdruck: Kryptoanalyse). Sie ist neben der Kryptographie das zweite Teilgebiet der Kryptologie. Die Kryptanalyse dient nicht nur zur unbefugten Entzifferung von Geheimnachrichten, sondern sie befasst sich auch mit „(Un-)Brechbarkeit“ von Verschlüsselungen, also der Prüfung der Sicherheit von Verschlüsselungsverfahren gegen unbefugte Entzifferung.

Die meisten Verschlüsselungsverfahren sind nur pragmatisch sicher, d. h. bei ihrer Kryptanalyse wurde keine praktikable Möglichkeit zur Entzifferung gefunden. Dabei ist das Vertrauen in die Sicherheit umso mehr gerechtfertigt, je länger ein Verfahren bereits öffentlich bekannt ist und je verbreiteter es in der Anwendung ist, denn umso mehr kann man davon ausgehen, dass viele fähige Kryptologen es unabhängig voneinander untersucht haben und dass eine evtl. vorhandene Schwäche gefunden und veröffentlicht worden wäre (siehe auch Kerckhoffs’ Prinzip).

Es gibt Verfahren, deren Sicherheit unter Annahme der Gültigkeit bestimmter mathematischer Vermutungen beweisbar ist. So kann zum Beispiel für das RSA-Kryptosystem gezeigt werden: Der private Schlüssel eines Benutzers kann aus dessen öffentlichem Schlüssel genau dann effizient berechnet werden, wenn man eine große Zahl (in der Größenordnung von einigen hundert Dezimalstellen) effizient in ihre Primfaktoren zerlegen kann. Das einzige Verschlüsselungsverfahren, dessen Sicherheit wirklich bewiesen und nicht nur auf Vermutungen zurückgeführt wurde, ist das One-Time-Pad.

Beispiel

Caesar-Verschlüsselung mit Schlüssel „C“

Zur Illustration einer Verschlüsselung wird der unten (aus Gründen der besseren Unterscheidbarkeit wie üblich in Kleinbuchstaben) angegebene Klartext mithilfe eines sehr alten und äußerst simplen Verfahrens, der Caesar-Verschlüsselung, in einen Geheimtext (hier aus Großbuchstaben) umgewandelt. Als geheimer Schlüssel wird hier „C“ benutzt, also der dritte Buchstabe des lateinischen Alphabets. Das bedeutet die Ersetzung jedes einzelnen Klartextbuchstabens durch den jeweiligen im Alphabet um drei Stellen verschobenen Buchstaben. So wird beispielsweise aus dem Anfangsbuchstaben „B“ des Klartextes durch Verschlüsselung der im Alphabet drei Stellen später auftretende Buchstabe „E“ im Geheimtext, und so weiter:

bevordertextverschluesseltwirdisterklarlesbar
EHYRUGHUWHAWYHUVFKOXHVVHOWZLUGLVWHUNODUOHVEDU

Der im Beispiel mit „EHYRU“ beginnende, hier durch Caesar-Verschlüsselung entstandene (und aus Gründen der Illustration wie üblich in Großbuchstaben dargestellte) Geheimtext ist tatsächlich auf den ersten Blick unverständlich. Er eignet sich somit, um die im Klartext enthaltene Information vor fremdem Blicken zu verbergen. Kennt ein möglicher Angreifer das zugrundeliegende Verschlüsselungsverfahren nicht, oder gelingt es ihm nicht, den benutzten Schlüssel zu finden, dann bleibt der Geheimtext für ihn ohne Sinn. Natürlich ist die hier im Beispiel benutzte Methode, die schon die alten Römer kannten, viel zu schwach, um die Geheimnachricht lange zu schützen. Einem erfahrenen Codebrecher wird es nicht viel Mühe bereiten, den Geheimtext nach kurzer Zeit zu entziffern, auch ohne vorherige Kenntnis von Schlüssel oder Verfahren.

Im Laufe der Geschichte der Menschheit wurden daher immer stärkere Methoden zur Verschlüsselung entwickelt (siehe auch: Geschichte der Kryptographie). Ein modernes Verschlüsselungsverfahren ist der Advanced Encryption Standard (AES), das zurzeit als unbrechbar gilt. Dies wird sich aber in kommenden Jahrzehnten möglicherweise ändern (siehe auch: Kryptanalytische Angriffe auf AES).

Klassifizierung

Prinzipiell unterscheidet man unterschiedliche klassische und moderne symmetrische Verschlüsselungsverfahren und die erst seit wenigen Jahrzehnten bekannten asymmetrischen Verschlüsselungsverfahren. Klassische Verschlüsselungsverfahren können nach dem verwendeten Alphabet klassifiziert werden.

Symmetrische Verschlüsselung

Bei der symmetrischen Verschlüsselung dient der Schlüssel auch zur Entschlüsselung

Symmetrische Verschlüsselungsverfahren verwenden zur Ver- und Entschlüsselung den gleichen Schlüssel. Bei historischen Verfahren lassen sich zwei Verschlüsselungsklassen unterscheiden. Bei der ersten werden, wie bei der im Beispiel benutzen Caesar-Verschlüsselung, die Buchstaben des Klartextes einzeln durch andere Buchstaben ersetzt. Mit dem lateinischen Wort substituere (deutsch: „ersetzen“) werden sie als Substitutionsverfahren bezeichnet. Im Gegensatz dazu bleibt bei der zweiten Verschlüsselungsklasse, genannt Transposition (von lateinisch: transponere; deutsch: „versetzen“), jeder Buchstabe wie er ist, aber nicht wo er ist. Sein Platz im Text wird verändert, die einzelnen Buchstaben des Textes werden sozusagen durcheinandergewürfelt. Eine besonders einfache Form einer Transpositions-Verschlüsselung ist die bei Kindern beliebte „Revertierung“ (von lateinisch: reverse; deutsch: „umkehren“) eines Textes. So entsteht beispielsweise aus dem Klartext „Geheimnis“ der Geheimtext SINMIEHEG.

Bei modernen symmetrischen Verfahren werden Stromverschlüsselung und auf einer Blockverschlüsselung basierende Verfahren unterschieden. Bei der Stromverschlüsselung werden die Zeichen des Klartextes jeweils einzeln und nacheinander verschlüsselt. Bei einer Blockverschlüsselung hingegen wird der Klartext vorab in Blöcke einer bestimmten Größe aufgeteilt. Wie dann die Blöcke verschlüsselt werden, bestimmt der Betriebsmodus der Verschlüsselungsmethode.

Interessanterweise beruhen selbst moderne Blockchiffren, wie beispielsweise das über mehrere Jahrzehnte gegen Ende des 20. Jahrhunderts zum Standard erhobene Verschlüsselungsverfahren DES (Data Encryption Standard) auf den beiden klassischen Methoden Substitution und Transposition. Sie verwenden diese beiden Grundprinzipien in Kombination und beziehen ihre Stärke ganz maßgeblich durch die mehrfache wiederholte Anwendung von solchen Kombinationen nicht selten in Dutzenden von „Runden“. So wird, vergleichbar zum wiederholten Kneten von Teig, der Klartext immer stärker verschlüsselt. Die Stärke der Verschlüsselung steigt zumeist mit der Anzahl der verwendeten Runden.

Asymmetrische Verschlüsselung

Bei der asymmetrischen Verschlüsselung gibt es zwei unterschiedliche Schlüssel, den öffentlichen Schlüssel zur Verschlüsselung und den privaten Schlüssel zur Entschlüsselung

Über Jahrhunderte hinweg war man der Meinung, dass es keine Alternative zur symmetrischen Verschlüsselung und dem damit verknüpften Schlüsselverteilungsproblem gäbe. Erst vor wenigen Jahrzehnten wurde die asymmetrische Verschlüsselung (engl.: Public-key cryptography) erfunden. Kennzeichen der asymmetrischen Verschlüsselung ist, dass zur Verschlüsselung ein völlig anderer Schlüssel als zur Entschlüsselung benutzt wird. Man unterscheidet hier zwischen dem „öffentlichen Schlüssel“, der zum Verschlüsseln benutzt wird, und dem „privaten Schlüssel“ zum Entschlüsseln des Geheimtextes.

Da asymmetrische Verfahren algorithmisch aufwändiger sind als symmetrische und daher in der Ausführung langsamer, werden in der Praxis zumeist Kombinationen aus beiden, sogenannte Hybrid-Verfahren genutzt. Dabei wird beispielsweise zuerst ein zufällig generierter individueller Sitzungsschlüssel mithilfe eines asymmetrischen Verfahrens ausgetauscht, und dieser anschließend gemeinsam als Schlüssel für ein symmetrisches Verschlüsselungsverfahren benutzt, wodurch die eigentlich zu kommunizierende Information verschlüsselt wird.

Glossar

In der Kryptologie dient eine klare Abgrenzung von Begriffen und eine saubere und konsequent verwendete Fachterminologie zur Erleichterung der Arbeit und zur Vermeidung von Missverständnissen. Im Gegensatz dazu werden umgangssprachlich nicht selten Ausdrücke falsch benutzt und miteinander verwechselt, was zu unnötigen und leicht vermeidbaren Irritationen führen kann. Ein Beispiel ist die unsaubere Verwendung des Begriffs Entschlüsselung, wenn eigentlich Entzifferung gemeint ist.

Alphabet – Eine in der Reihenfolge permutierte geordnete Anordnung von Symbolen, speziell der 26 lateinischen Großbuchstaben (Beispiel: E K M F L G D Q V Z N T O W Y H X U S P A I B R C J)
Brechen – Anderer Ausdruck für Entziffern
Chiffrat – Anderer Ausdruck für Geheimtext
Chiffre – Anderer Ausdruck für Verschlüsselungsverfahren
Chiffrieren – Anderer Ausdruck für Verschlüsseln
Chiffrierung – Anderer Ausdruck für Verschlüsselung
Codebuch – Hilfsmittel bei der Codierung
Codeknacker – Anderer Ausdruck für Kryptoanalytiker
Codierung – Zumeist feste Zuordnung von Klartextgruppen zu Geheimtextgruppen
Dechiffrat – Anderer Ausdruck für Klartext
Knacken – Anderer Ausdruck für Entziffern
Entschlüsseln – Umwandlung des Geheimtextes in den Klartext mithilfe des Schlüssels
Entziffern – Ermitteln des Klartextes aus dem Geheimtext ohne vorherige Kenntnis des Schlüssels
Geheimtext – Durch Verschlüsselung aus dem Klartext erzeugter Text
Involutorisch – Verschlüsselung und Entschlüsselung sind identisch
Kryptoanalytiker – Jemand, der ohne vorherige Kenntnis des Schlüssels versucht, Informationen aus dem Geheimtext zu ziehen, z. B. den Klartext oder den Schlüssel herauszufinden
Kryptogramm – Anderer Ausdruck für Geheimtext
Schlüssel – Geheime Information, die bei der Verschlüsselung verwendet wird bzw. zur Entschlüsselung benötigt wird
Schlüsseln – Zusammenfassender Begriff für Verschlüsseln und Entschlüsseln
Schlüssler – Person, die Nachrichten ver- oder entschlüsselt
Schlüsselraum – Menge aller möglichen Schlüssel
Schlüsseltext – Anderer Ausdruck für Geheimtext
Schwache Verschlüsselung – Verschlüsselung, die entziffert werden kann
Starke Verschlüsselung – Verschlüsselung, die mit heutigen Kenntnissen und Methoden nicht entziffert werden kann
Verschlüsseln – Umwandlung von Klartext in Geheimtext

Anwendungen in der Praxis der Informationstechnik

Nachrichtenübertragung in Netzwerken

Eine verschlüsselte Nachricht (z. B. eine E-Mail oder eine Webseite) muss in der Regel über mehrere Stationen übertragen werden. Heute handelt es sich dabei meist um einzelne Computersysteme, das heißt die verschlüsselte Nachricht wird über ein Rechnernetzwerk übertragen. Man unterscheidet dabei zwei grundlegend unterschiedliche Übertragungsweisen. Bei der Leitungsverschlüsselung wird die Nachricht nur jeweils für den Nachbarrechner 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 Übertragungs-Hardware) angesiedelt werden. Der Nachteil besteht darin, dass jeder einzelne Rechner auf dem Übertragungsweg vertrauenswürdig und sicher sein muss. Bei der Ende-zu-Ende-Verschlüsselung hingegen 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.

Verschlüsselung von Daten auf Datenträgern („Datentresor“)

[Für eine ausführliche Behandlung siehe Festplattenverschlüsselung]

Sensible Daten auf einem Datenträger lassen sich im Wesentlichen auf zwei Wegen vor unbefugtem Zugriff schützen:

man verschlüsselt mit Hilfe von Verschlüsselungssoftware die gesamte Festplatte oder eine einzelne Partition (engl. Full Disk Encryption oder FDE) oder auch nur einen Daten-Container in Form einer einzelnen Datei auf dem Datenträger;
bei der hardware-seitigen Verschlüsselung (engl. hardware encryption) übernimmt ein Mikrochip auf dem USB-Laufwerk eine automatische und transparente Verschlüsselung. Die Authentifizierung wird beispielsweise dadurch erreicht, dass das Gerät über eine physische Tastatur verfügt, über die vor der Verwendung ein PIN-Code einzugeben ist.

Literatur

Friedrich L. Bauer: Entzifferte Geheimnisse. Methoden und Maximen der Kryptologie. 3., überarbeitete und erweiterte Auflage. Springer, Berlin u. a. 2000, ISBN 3-540-67931-6.
Linda A. Bertram, Gunther van Dooble, et al. (Hrsg.): Nomenclatura – Encyclopedia of modern Cryptography and Internet Security. From AutoCrypt and Exponential Encryption to Zero-Knowledge-Proof Keys. Books on Demand, Norderstedt 2019, ISBN 978-3746-06668-4.
Albrecht Beutelspacher Kryptologie – Eine Einführung in die Wissenschaft vom Verschlüsseln, Verbergen und Verheimlichen ohne alle Geheimniskrämerei, aber nicht ohne hinterlistigen Schalk, dargestellt zum Nutzen und Ergötzen des allgemeinen Publikums. Vieweg & Teubner, 9. aktualisierte Auflage, Braunschweig 2009, ISBN 978-3-8348-0253-8.
Johannes Buchmann: Einführung in die Kryptographie. Springer, 4. erweiterte Auflage, Berlin 2008, ISBN 978-3-540-74451-1.
Michael Miller: Symmetrische Verschlüsselungsverfahren – Design, Entwicklung und Kryptoanalyse klassischer und moderner Chiffren. Teubner, Wiesbaden 2003, ISBN 3-519-02399-7.
Klaus Schmeh: Codeknacker gegen Codemacher – Die faszinierende Geschichte der Verschlüsselung. W3L-Verlag, 2. Auflage, Herdecke 2008, ISBN 978-3-937137-89-6.
Bruce Schneier: Angewandte Kryptographie. Protokolle, Algorithmen und Sourcecode in C. Pearson Studium, München 2006, ISBN 3-8273-7228-3.
Simon Singh: Geheime Botschaften. Carl Hanser Verlag, München 2000, ISBN 3-446-19873-3.
Fred B. Wrixon: Codes, Chiffren & andere Geheimsprachen – Von den ägyptischen Hieroglyphen bis zur Computerkryptologie. Könemann, Köln 2000, ISBN 3-8290-3888-7.