SpionCamp Kryptographie als Stationenlernen

Transkript

1 SpionCamp Kryptographie als Stationenlernen Informatik ohne Informatiksysteme Dorothee Müller Bergische Universität Wuppertal

2 Von der Spionschule zum SpionCamp 2004 wurde die Spionschule von K. Schäfer und S. Gabriel entwickelt eingesetzt bei Einladungen in Schulen in der JuniorUni bei den Kinderforschertagen der BUW bei Lehrerfortbildungen bei einer Jahrestagung der deutschen Krimi-Autoren 2011 wurde die Spionschule im Rahmen einer Staatsexamens- und einer Forschungsarbeit überarbeitet, aktualisiert und in SpionCamp umbenannt D. Müller, SpionCamp Kryptographie als Stationenlernen 1/23

3 Überarbeitung zum SpionCamp Abbildungen wurden durch eigene Fotos und Grafiken ersetzt Didaktische Erläuterung wurde vorgenommen Neue Stationen wurden hinzugefügt Das SpionCamp wurde unter eine Creative-Commons-Lizenz gestellt D. Müller, SpionCamp Kryptographie als Stationenlernen 2/23

4 Creative Commons Lizenz Sie dürfen: Inhalte des SpionCamps vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen Bedingungen: Namensnennung Keine kommerzielle Nutzung Keine Bearbeitung D. Müller, SpionCamp Kryptographie als Stationenlernen 3/23

5 Anleitungen, Stations-, Arbeits- und Lösungsblätter zum Download unter / D. Müller, SpionCamp Kryptographie als Stationenlernen 4/23

6 Stationsaufbau Jede Station besteht aus: Stationsblatt interessieren und informieren Arbeitsblatt erarbeiten Lösungsblatt Ergebnissicherung Material Veranschaulichung und Arbeitsgrundlage D. Müller, SpionCamp Kryptographie als Stationenlernen 5/23

7 W U T S Scheibe: Klartext F G I v3 29. Mai 2012 I J Spionschule SpionCamp Die Stationen Einsatzmöglichkeiten Erprobung Literatur Stationsaufbau Stationsblatt Caesar Substitution (monoalphabetisch) Die Buchstaben bleiben wo sie sind, aber nicht was sie sind. Solche Verschlüsselungen heißen Substitution. (Das Wort Substitution ist abgeleitet vom lateinischen Wort substituere = ersetzen.) Der römische Feldherr Julius Caesar (100 bis 44 v.chr.) verschlüsselte seine geheimen Nachrichten, indem er jeden Buchstaben durch einen anderen ersetzte. Dabei wurde der Buchstabe immer durch den um eine bestimmte Anzahl von Stellen im Alphabet verschobenen Buchstaben ersetzt. Diese Anzahl der Stellen heißt Caesar-Schlüssel. Beispiel Beim Schlüssel 3 nahm Caesar immer den Buchstaben, der im Alphabet drei Stellen weiter rechts steht. Dazu schrieb er das Alphabet zweimal untereinander. Das untere Alphabet schrieb er allerdings um drei Stellen verschoben. A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z wird ersetzt D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C durch Caesar ersetzte also in seinem Text jedes A durch ein D, jedes B durch ein E usw. Beachte, dass X durch A ersetzt wird, also das Alphabet nach dem Z einfach mit A weitergeschrieben wird. Damit nicht jedesmal die beiden gegeneinander verschobenen Alphabete aufgeschrieben werden müssen, kann D auch eine sogenannte Chiffrierscheibe benutzt werden. A In der Abbildung ist wie im Beispiel der Schlüssel 3 eingestellt. Mit der Scheibe kannst du nun sowohl Texte verschlüsseln als auch entschlüsseln. Möchtest du verschlüsseln, dann suchst du den Buchstaben auf der inneren Scheibe und schreibst den entsprechenden Buchstaben auf der äußeren Scheibe auf. Entschlüsseln geht entsprechend umgekehrt: Hier suchst du den Buchstaben außen und schreibst den entsprechenden Buchstaben auf der inneren Scheibe auf. Y X V Z U A V W R T X äußere Scheibe: Kryptotext Q S B P Y C 15 R Z 24 O Q N 12 1 B M E innere 2 11 P 3 10 C Bergische Universität Wuppertal L F O D (1-25) einstellen Code K G E J N H H M K L 1 D. Müller, SpionCamp Kryptographie als Stationenlernen 6/23

8 v2 1. Dezember 2011 Stationsaufbau Arbeitsblatt Arbeitsblatt Caesar Substitution (monoalphabetisch) Aufgabe Könnt ihr die Nachricht ohne bekannten Schlüssel entschlüsseln? 1 YHQL YLGL YLFL Aufgabe Entschlüsselt mit der Chiffrierscheibe die folgenden Nachrichten. Mögliche 2 Schlüssel sind: 2, 7, 10, 13. Einer ist jeweils der richtige Schlüssel. Das heißt, dass man bei Verschiebung um diese Zahl die Nachricht erhält. a) SPLIL RSLVWHAYH, AYLMMLU DPY BUZ ILP KLU WFYHTPKLU? b) YVRORE PNRFNE, VPU JREQR QN FRVA. Aufgabe 3 Warum ist dieses Verschlüsselungsverfahren leicht zu»knacken«? Aufgabe Verschlüsselt und entschlüsselt gegenseitig den Titel eures Lieblingsbuches 4 mit dem Schlüsselwort LESERATTE. Aufgabe Entschlüssele die folgende Nachricht. Das Schüsselwort ist SCHATZSUCHE 5 oder MEISTERDETEKTIV. STG HIKMJU YVTDJ KVAJTG STG CMGXEMAX Aufgabe 6 Was ist der Vorteil bei dem Schlüsselwort-Caesar-Verfahren? Aufgabe Fällt dir eine Möglichkeit ein, wie du einen Text entschlüsseln kannst, ohne alle 7 Schlüssel durchzuprobieren? Tipp: Nutze dabei eine bestimmte Eigenschaft einer Sprache (z. B. Deutsch) aus. D. Müller, SpionCamp Kryptographie als Stationenlernen 7/23

9 v2 1. Dezember 2011 Stationsaufbau Lösungsblatt Lösungen Caesar Substitution (monoalphabetisch) Lösung VENI VIDI VICI (Lateinisch: Ich kam, ich sah, ich siegte. Dies schrieb Julius 1 Caesar in einem Brief an Gaius Matius, nachdem er die Truppen Pharnakes II. von Pontus in nur vier Stunden besiegte.) Lösung a) Schlüssel 7: 2 LIEBE KLEOPATRA, TREFFEN WIR UNS BEI DEN PYRAMIDEN? b) Schlüssel 13: LIEBER CAESAR, ICH WERDE DA SEIN. Lösung Man muss höchstens 25 Schlüssel durchprobieren, um die Lösung zu erhalten. 3 Lösung z. B. CRYPTONOMICON: 4 SHPFJDCDBWSDC. Die Ersetzungstabelle sieht so aus: Klartext A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z Geheimtext L E S R A T U V W X Y Z B C D F G H I J K M N O P Q Lösung Schlüssel ist MEISTERDETEKTIV: 5 DER SCHATZ LIEGT HINTER DER PARKBANK Lösung Allein durch Ausprobieren von 25 Schlüsseln ist das Verfahren nicht zu 6 knacken. Lösung Häufigkeitsanalyse: In der Deutschen Sprache ist der häufigste Buchstabe das 7»E«. Der häufigste Buchstabe im Geheimtext könnte also dem E entsprechen. D. Müller, SpionCamp Kryptographie als Stationenlernen 8/23

10 T T S innen: Klartext G I v1 Spionschule SpionCamp Die Stationen Einsatzmöglichkeiten Erprobung Literatur Stationsaufbau Material Caesar Substitution (monoalphabetisch) S P I O N W V X Y Z A 0 1 B C D E F U 21 G C H A S E S A R R Q P 16 O N M L K J I U W V X 3. außen: Geheimtext Y Z A X B 2. C D E 1. Code einstellen (1-25) F H R Bergische Universität Wuppertal J Q P O N M L K 1 D. Müller, SpionCamp Kryptographie als Stationenlernen 9/23

11 Realisierte und geplante Stationen symmetrische, asymmetrische, hybride Diffie- Hellman Modulo Enigma Playfair Schlüsselaustauschverfahren Verbergen in Bildern Vigenère Substitution Steganographie Verbergen in Texten Caesarcode Freimaurercode Schablonen Stationen Morsen Pflügen Transposition Kodierung Winkeralphabet Skytale Brailleschrift D. Müller, SpionCamp Kryptographie als Stationenlernen 10/23

12 Symbol Kodierung Morsen Braille-Schrift Winkeralphabet D. Müller, SpionCamp Kryptographie als Stationenlernen 11/23

13 Symbol Steganographie Verstecken im Bild D. Müller, SpionCamp Kryptographie als Stationenlernen 12/23

14 Symbol Substitution Caesar Freimaurer Vigenère Enigma Playfair D. Müller, SpionCamp Kryptographie als Stationenlernen 13/23

15 Spionschule SpionCamp Die Stationen Einsatzmöglichkeiten Erprobung Literatur Symbol Transposition Pflügen Schablonen Skytale D. Müller, SpionCamp Kryptographie als Stationenlernen 14/23

16 Symbol Schlüsselaustausch D. Müller, SpionCamp Kryptographie als Stationenlernen 15/23

17 Unterrichtskontext Morsen Skytale Pflügen Transposition Caesarcode Freimaurercode Substitution Vigenère Enigma Playfair Schablonen Verbergen in Kodierung Texten Verbergen in Bildern Steganographie Stationen Diffie- Hellman symmetrische, Schlüsselaustauschverfahren asymmetrische, hybride Brailleschrift Winkeralphabet Sicherheit im Internet Geschichte der Informatik SpionCamp Selbsttätiges Lernen Selbstorganisation Datenschutz - Verschlüsselung Kontext Geschichte der Kryptographie Lernen mit vielen Sinnen Stationenlernen Individuelles Lerntempo Hohes Kommunikationspotential D. Müller, SpionCamp Kryptographie als Stationenlernen 16/23

18 Einbindung einer Station oder mehrerer Stationen Beispiele für Einsatzmöglichkeiten einzelner Stationen Verschiedene Unterrichtsgegenstände im Informatikunterricht (z. B. Codierung, Enigma in Geschichte der Informatik) Vertretungsstunden Projektwochen oder -tage Hinführung zu Programmieraufgaben (z. B. Caesar-Verschlüsselung) Girls Day D. Müller, SpionCamp Kryptographie als Stationenlernen 17/23

19 Vorüberlegungen zur Unterrichtsreihe D. Müller, SpionCamp Kryptographie als Stationenlernen 18/23

20 Lehrer läd SpionCamp oder Einzelstationen aus Web herunter (Anleitung, Stationsund Arbeitsblätter) Einführungs- und Motivationsphase / Lehrer stellt das Projekt vor Gemeinsame Planung der Reihe Ja Schüler Expertengruppen? Nein Einteilung in Expertengruppen Arbeitsblätter und Herstellungsanweisung an jeweilige Gruppe Schüler besorgen Herstellungsmaterial und erstellen die Stationen mit Musterlösungen Qualitätssicherung Stationen und Musterlösungen Ja Lehrer entscheidet: Arbeitsaufteilung? Schüler (und Lehrer) besorgen Herstellungsmaterial und erstellen die Stationen Qualitätssicherung Stationen Nein Lehrer besorgt Herstellungsmaterial und erstellt die Stationen Stationen aufbauen Durchführung besprechen Verhaltensregeln festlegen geplante Ergebnissicherung besprechen (z.b. Arbeitsmappe) Stationenlernen durchführen Nachbesprechung und Ergebnissicherung

21 Differenzierung A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y W 6 T Scheibe: Klartext G 0.5 I 7.2 J S U I D N E E T C G H U Schablonen B R B T R E I R L S T I N D A E E D E F N E L R Vigenère Freimaurer-Code Morsen FREIMAURER privater Raum: öffentlicher Raum: privater Raum: Alice Eve Bob Wähle a, g und p Wähle b Berechne A = g a mod p g, p, A Berechne B = g b mod p Berechne K = B a mod p B Berechne K = A b mod p Diffie-Hellman-Algorithmus Zeichenhäufigkeit Skytale Caesar-Code % Y X V A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z Z U U S A V W R T X äußere Scheibe: Kryptotext Q S B P Y C 15 R Z 24 O D A Q N 12 1 B M E innere 2 11 P 3 10 C L F 8 -- Bergische Universität Wuppertal -- O D (1-25) einstellen Code 1. K G E F J N H H I M K L Y Z X W V U T S A B C D Enigma E F I G H I Braille (Blindenschrift) Pflügen D E R S C H A T Z L I E G T U N T E R D E N P A L M E N X X Legende Pflichtstation Wahlstation Schwierigkeit: schwer Schwierigkeit: mittel Schwierigkeit: leicht R J Q K P L O N M (Stationen-Doppelzirkel nach [Humbert, 2008])

22 Unterrichtseinsatz Vorüberlegungen und Organisation Materialvorbereitung Wahl- und Pflichtstationen Vorgegebene oder freie Reihenfolge der Stationen Schwierigkeitsgrad der Stationen transparent machen Leistungsüberprüfung Arbeitsmappen - Portfolios Laufzettel Feste Verhaltensregeln Vorbesprechung - Zwischengespräch Nachbesprechung Expertengruppen Einbindung in Unterrichtsreihe Einsatz der Lösungsblätter Einzel-, Partner- Gruppenarbeit D. Müller, SpionCamp Kryptographie als Stationenlernen 21/23

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24 Literatur [Humbert 2008] Humbert, Ludger: Vorlesungsmaterialien zur Didaktik der Informatik Sommersemester. September geprüft: 13. Oktober 2008 D. Müller, SpionCamp Kryptographie als Stationenlernen 23/23