Verschlüsselungsverfahren

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1 Verschlüsselungsverfahren Herrn Breder hat es nach dem Studium nach München verschlagen. Seine Studienkollegin Frau Ahrend wohnt in Heidelberg. Da beide beruflich sehr stark einspannt sind, gibt es keine Möglichkeit sich regelmäßig zu treffen. Frau Ahrend und Herr Breder wollen deswegen schriftlich kommunizieren. Der Austausch von Informationen soll aber vertraulich sein. Welche Verschlüsselungsverfahren können Herr Breder und Frau Ahrend dazu verwenden? Symmetrische Verschlüsselung Bei einem symmetrischen Verschlüsselungsverfahren verwenden Sender und Empfänger für das Verschlüsseln und Entschlüsseln einer Nachricht den gleichen gemeinsamen geheimen Schlüssel. Das Verschlüsselungsverfahren selbst ist öffentlich bekannt und von vielen unabhängigen Wissenschaftlern über mehrere Jahre untersucht worden. Will man mit vielen Partnern kommunizieren, ist eine sichere Schlüsselübergabe mit allen diesen Partnern mit sehr hohem Aufwand verbunden. Veranschaulichung Um mit Frau Ahrend zu kommunizieren, hat Herr Breder sich ein Tagebuch mit Schloss angeschafft. Das Schloss hat zwei identische Schlüssel. Einen Schlüssel übergibt er persönlich an Frau Ahrend und den anderen bewahrt er bei sich auf. In das Tagebuch schreibt er alles, was er gern Frau Ahrend mitteilen würde. Sobald ein neuer Text in seinem Tagebuch fertig ist, schließt er dieses mit seinem Schlüssel ab. Das verschlossene Buch bringt er zur Post. Wenn das Buch bei Frau Ahrend über den Postweg angekommen ist, öffnet sie mittels ihres Schlüssels das Buch und liest Herr Breders Nachricht. Analog funktioniert die Rückrichtung. 1

2 Abb. 1: Symmetrische Verschlüsselung Nachteil Frau Ahrend muss inzwischen mit vielen anderen Kollegen sicher kommunizieren. Doch dabei taucht ein Problem auf. Sie müsste bei Einsatz eines rein symmetrischen Verfahrens jeden neuen Kollegen, mit dem sie nur paarweise kommunizieren möchte, mindestens einmal persönlich treffen um einen gemeinsamen geheimen Schlüssel auszutauschen. Auch müsste sie diese Schlüssel in regelmäßigen Abständen wechseln und ggf. auch sperren können, weil die Gefahr besteht, dass der Schlüssel zwischenzeitlich kopiert werden kann. Feststellung Die Telematikinfrastruktur muss Frau Ahrend erlauben, mit jedem der ca Arztkollegen zu kommunizieren. Dazu müsste sie für jeden Kollegen einen einzigartigen geheimen Schlüssel austauschen. Wenn nun den Kollegen von Frau Ahrend die gleiche Möglichkeit gegeben wird, so müssen geheime Schlüssel sicher zwischen den Ärzten verteilt werden. Zudem müssten diese regelmäßig gewechselt werden können und eine mögliche Sperrung müsste gewährleistet sein. 2

3 Eine derartige Verteilung von geheimen Schlüsseln ist auf sicherem Wege praktisch kaum realisierbar. Deswegen bedient man sich der Möglichkeiten der asymmetrischen Verschlüsselung. Asymmetrische Verschlüsselung Bei einem asymmetrischen Verschlüsselungsverfahren, auch als Public-Key- Kryptographie bezeichnet, besitzt jeder Beteiligte zwei Schlüssel, einen privaten (private key) und einen öffentlichen (public key). Der private Schlüssel muss vertraulich aufbewahrt werden. Der dazugehörige öffentliche Schlüssel kann allgemein bekannt sein. Unter Zustimmung des Arztes (Eigentümer seines private key und eines public key) kann der öffentliche Schlüssel in einem Verzeichnisdienst potentiellen Kommunikationspartnern zugänglich gemacht werden. Beide Schlüssel stehen in einem mathematischen Zusammenhang und werden zusammen bei der Schlüsselerzeugung erzeugt. Ein Grundproblem bei asymmetrischen Verschlüsselungsverfahren ist, dass sie im Normalfall sehr viel langsamer arbeiten als symmetrische Verfahren (je nach Verfahren insbesondere bei der Entschlüsselung ca. 400mal langsamer). Veranschaulichung Aufgrund der Schwierigkeiten bei der Schlüsselverteilung bei rein symmetrischen Verfahren wendet Frau Ahrend die asymmetrische Verschlüsselung an. Der einem Empfänger zugehörige öffentliche Schlüssel ist vergleichbar mit einem offenen Koffer, dessen Schloss beim Zuklappen des Koffers (Verschlüsselung) zuschnappt. Nur der Empfänger hat den zugehörigen Schlüssel für das Kofferschloss (privater Schlüssel) und kann den Koffer öffnen. Frau Ahrend benutzt für den Nachrichtenaustausch mit einem weiteren Kollegen ein neues Tagebuch ohne Schloss. Dieses legt sie in einen dem Empfänger gehörenden Koffer. Sie klappt den Koffer zu und das Schloss schnappt automatisch zu. Frau Ahrend geht zur Post und versendet den Koffer. Der Empfänger erhält den Koffer und er öffnet ihn mit dem privaten Schlüssel. Danach hat er Zugang zu dem Tagebuch, d.h. den Klartextdaten. 3

4 Die öffentlichen Schlüssel können analog zu einem Telefonbuch (Verzeichnis) verteilt werden, ohne dass der sehr hohe Aufwand für die Geheimhaltung der Schlüssel wie beim symmetrischen Verfahren notwendig ist. Tatsächlich existieren Zertifizierungsdienste, die solche Verzeichnisse erstellen. Die sogenannten Certificate Authorities (CA) beschäftigen Sicherheitsgutachter, welche die Korrektheit eines Verzeichnisses (Telefonbuches) unabhängig überprüfen. Frau Ahrend kann diesem Dienst also Vertrauen und den Empfänger kontaktieren, ohne ihn zuvor persönlich getroffen zu haben. Damit diese Zertifizierungsdienste für die Telematikinfrastruktur zugelassen werden, verpflichten sie sich zu bestimmten Sicherheitsleistungen. Die Einhaltung wird regelmäßig durch unabhängige Sicherheitsgutachter überprüft. Abb. 2: Asymmetrische Verschlüsselung Nachteil Frau Ahrend steht nun in Kontakt mit vielen Studienkollegen und empfängt bspw. ein 2 MB-großes pdf-dokument (Tagebuchnachricht). Für die Entschlüsselung würde sie im rein asymmetrischen Verfahren ca. sieben Minuten benötigen. Das dauert zu lange. 4

5 Deswegen verbindet sie die asymmetrische und die symmetrische Verschlüsselung in der sogenannten hybriden Verschlüsselung. Hybride Verschlüsselung Bei einem hybriden Verschlüsselungsverfahren wählt der Sender einen zufälligen symmetrischen Schlüssel (geheimen Schlüssel) zum Verschlüsseln und Entschlüsseln seiner Nachricht. Die symmetrisch verschlüsselte Nachricht und der asymmetrisch verschlüsselte geheime Schlüssel werden zum Empfänger geschickt. Veranschaulichung Frau Ahrend kauft sich ein Tagebuch mit symmetrischem Schlüssel. In dieses schreibt sie die Nachricht hinein und verschließt das Tagebuch (symmetrische Verschlüsselung). Der symmetrische Schlüssel für das Tagebuch ist sehr klein. Dieser wird für den Empfänger asymmetrisch verschlüsselt. Auf die Post wird das verschlossene Tagebuch gebracht (symmetrischer Teil) und versendet. Mit dem Koffer (asymmetrischer Teil), in dem sich der kleine symmetrische Schlüssel befindet, wird dies ebenfalls getan. Der Empfänger erhält beide Postsendungen. Den Koffer, in dem sich nur eine kleine Datenmenge befindet, kann er mit Hilfe seines privaten Schlüssels recht schnell öffnen. Mit Hilfe dieses symmetrischen Schlüssels (Schlüssel für das Tagebuch) kann er die Tagebuchnachricht (pdf-dokument) sofort entschlüsseln. 5

6 Abb. 3: Hybride Verschlüsselung Vorteil Die symmetrische Verschlüsselung innerhalb des hybriden Verfahrens dauert bei einem 2 MB-großen Dokument weniger als eine Sekunde. 6

7 Das asymmetrische Verfahren bei der hybriden Verschlüsselung nutzt man, um den geheimen Schlüssel des Senders zu verschlüsseln und an den Empfänger sicher zu verschicken. Da dieser symmetrische, geheime Schlüssel sehr klein ist (bspw. 16 Byte also ca. 26 Buchstaben), dauert die Entschlüsselung beim Empfänger weniger als eine Sekunde. Mögliche Angriffe trotz sicherer Verschlüsselungsverfahren Bei den Tagebüchern ist es wichtig, dass es nicht nur eine kleine Anzahl von möglichen Schlüsseln gibt. Ansonsten könnte ein Angreifer eine große Anzahl von Tagebüchern kaufen und alle möglichen Schlüssel bei einem verschlossenen Tagebuch von Frau Ahrend durchprobieren und dieses dann mit hoher Wahrscheinlichkeit öffnen. Das symmetrische Verfahren und der symmetrische Anteil im Hybridverfahren wären so angreifbar. Eine zufällige Wahl aus einem sehr großen Schlüsselraum ist also bei Frau Ahrend Verschlüsselung notwendig. Innerhalb der Telematikinfrastruktur, der sicheren Vernetzung des Gesundheitswesens, gewährleistet dies der Konnektor als sicherheitsgeprüfte Komponente. Wenn ein Schlüsseleigentümer es wünscht, ist sein öffentlicher Schlüssel im Verzeichnis für alle berechtigten Heilberufler zugänglich. Alle berechtigten Sender und Empfänger, deren öffentliche Schlüssel verzeichnet sind, können hybrid verschlüsselte Nachricht schicken und erhalten. Weil Unberechtigte nun behaupten könnten, Frau Ahrend zu sein, sind Verfahren/Anwendungen notwendig, welche die Authentizität und Integrität von Nachrichten zusätzlich schützen. Dies wird mit digitalen Unterschriften erreicht, bspw. mit der qualifizierten elektronischen Signatur. 7

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