Kryptologie: Verschlüsselung und Signaturen verstehen

Stell dir vor, du sendest eine Nachricht über einen Kanal, den andere beobachten oder manipulieren können. Je nach Situation brauchst du unterschiedliche Arten von Schutz.

Nicht jede Anwendung muss alle vier Ziele erfüllen. Eine verschlüsselte Nachricht kann beispielsweise vertraulich sein, ohne dass ihre Herkunft bereits zuverlässig feststeht.

Kryptologie ist der Oberbegriff für zwei eng verbundene Arbeitsgebiete.

Kryptoanalyse ist deshalb nicht bloß das Gegenteil der Kryptographie. Sie hilft dabei, Schwachstellen vor dem praktischen Einsatz eines Verfahrens zu entdecken. Neue Schutzverfahren und neue Angriffe treiben die Kryptologie gemeinsam weiter.

Wichtige Grundbegriffe sind:

• Klartext: die ursprüngliche lesbare Information;
• Chiffretext oder Geheimtext: das Ergebnis der Verschlüsselung;
• Chiffrieren: Klartext in Chiffretext umwandeln;
• Dechiffrieren: Chiffretext mit dem vorgesehenen Verfahren wieder in Klartext umwandeln;
• Schlüssel: eine Information, die festlegt, wie ein Verfahren die Daten verarbeitet.

Die Caesar-Chiffre ersetzt jeden Buchstaben durch einen Buchstaben in festem Abstand. Bei einer Verschiebung um drei gilt beispielsweise A → D, B → E und am Ende des Alphabets X → A.

Die Caesar-Chiffre ist symmetrisch: Sender und Empfänger verwenden denselben Schlüssel. Sie ist trotzdem unsicher. Bei einem Alphabet mit 26 Buchstaben gibt es nur 25 von der unveränderten Schrift verschiedene Verschiebungen. Ein Angreifer kann sie systematisch durchprobieren und prüfen, bei welcher ein sinnvoller Text entsteht.

Sprachmuster helfen zusätzlich. Häufige Buchstaben, typische Wortformen und Doppelbuchstaben können auf den Klartext hinweisen.

Bei einem symmetrischen Verfahren teilen Alice und Bob ein gemeinsames Geheimnis. Das funktioniert gut, wenn sie den Schlüssel vorher sicher austauschen können. Über einen unsicheren Kanal könnte ein Angreifer den Schlüssel jedoch abfangen.

Asymmetrische Verfahren verwenden stattdessen ein Schlüsselpaar:

• Der öffentliche Schlüssel darf verteilt und kopiert werden.
• Der private Schlüssel bleibt beim Besitzer geheim.

Will Bob vertraulich an Alice senden, verschlüsselt er mit Alices öffentlichem Schlüssel. Entschlüsseln kann Alice mit ihrem privaten Schlüssel. Der öffentliche Schlüssel allein reicht dafür nicht aus.

Hat nur Alice ein Schlüsselpaar, kann Bob vertraulich an Alice senden. Für vertrauliche Nachrichten in der Gegenrichtung benötigt auch Bob ein eigenes Schlüsselpaar.

Verschlüsselung und Signatur erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Verschlüsselung soll vor allem den Inhalt geheim halten. Eine digitale Signatur soll die Herkunft und Unverändertheit einer Nachricht prüfbar machen.

Im vereinfachten Modell läuft eine Signatur so ab:

1. Alice erzeugt die Signatur mit ihrem privaten Schlüssel.
2. Sie sendet Nachricht und Signatur an Bob.
3. Bob prüft die Signatur mit Alices öffentlichem Schlüssel.
4. Passt die Signatur nicht mehr zur Nachricht, wurde die Nachricht verändert oder die Signatur stammt nicht vom erwarteten privaten Schlüssel.

Diese Darstellung erklärt das Schlüsselprinzip. Technische Einzelheiten praktischer Signaturverfahren gehören nicht zu diesem vereinfachten Modell.

Ein öffentlicher Schlüssel darf bekannt sein, muss aber zuverlässig der richtigen Person zugeordnet werden. Sonst kann ein Man-in-the-Middle-Angriff entstehen.

Mallory greift eine Nachricht von Alice an Bob an:

1. Alice sendet ihren öffentlichen Schlüssel an Bob.
2. Mallory fängt ihn ab und ersetzt ihn durch einen eigenen Schlüssel.
3. Bob hält Mallorys Schlüssel irrtümlich für Alices Schlüssel.
4. Bob verschlüsselt die Nachricht mit dem falschen öffentlichen Schlüssel.
5. Mallory entschlüsselt sie, kann sie verändern und anschließend mit Alices echtem öffentlichen Schlüssel neu verschlüsseln.
6. Alice erhält eine Nachricht, deren Manipulation sie ohne weitere Prüfung möglicherweise nicht erkennt.

Asymmetrische Verschlüsselung löst also nicht automatisch die Frage: „Wem gehört dieser öffentliche Schlüssel?“

Ein digitales Zertifikat bestätigt die Zuordnung zwischen einer Identität und einem öffentlichen Schlüssel. Eine Zertifizierungsstelle, kurz CA, beglaubigt diese Zuordnung. Vertrauen ist damit nicht verschwunden, sondern auf die Prüfung und Vertrauenswürdigkeit der Zertifizierungsstelle verlagert.

Eine dezentrale Alternative ist das Web of Trust. Dort beglaubigen Nutzer gegenseitig ihre Schlüssel. Dabei zählt nicht nur die Zahl der Bestätigungen, sondern ob du den prüfenden Personen und ihrer Sorgfalt vertraust.

Reine asymmetrische Verarbeitung ist für große Datenmengen aufwendiger als symmetrische Verschlüsselung. Moderne Schutzketten kombinieren deshalb verschiedene Verfahren.

TLS schützt die Verbindung zwischen Browser und Server nach einer hybriden Grundidee:

1. Das Serverzertifikat hilft dem Browser, die Zuordnung von Serveridentität und öffentlichem Schlüssel zu prüfen.
2. Asymmetrische Mechanismen schützen die Vereinbarung oder Übertragung des benötigten gemeinsamen Geheimnisses.
3. Daraus abgeleitete symmetrische Sitzungsschlüssel schützen anschließend die Nutzdaten in beide Richtungen.

Der Server weist sich dabei gegenüber dem Browser aus. Der Benutzer ist dadurch noch nicht automatisch gegenüber einem Onlinedienst authentifiziert; dafür können weiterhin Zugangsdaten nötig sein.

Auch eine geschützte Verbindung verbirgt nicht zwangsläufig alle Begleitinformationen. Zeitpunkt und ungefähre Datenmenge einer Kommunikation können weiterhin beobachtbar sein. Außerdem hängt die Sicherheit von der korrekten Zertifikatsprüfung und sicheren Endgeräten ab.

Wenn du die Fragen begründen kannst, erkennst du den roten Faden der Kryptologie: Sicherheit entsteht nicht durch Verschlüsselung allein, sondern durch passende Schutzziele, geeignete Schlüssel und eine verlässliche Prüfung der Kommunikationspartner.