Verschlüsselungsverfahren

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1 Verschlüsselung/Entschlüsselung Unter Verschlüsselung, ft auch als Chiffrierung bezeichnet, versteht man die Um -wandlung vn Daten in eine unlesbare Frm. Der Zweck der Verschlüsselung ist klar: Es sll verhindert werden, dass jemand die Infrmatinen, die in diesen Daten stecken, erlangen kann, auch wenn ihm die verschlüsselten Daten vrliegen. Natürlich will man die Daten auch wieder lesbar machen, denn wenigstens befugte Persnen sllen ja darauf Zugriff haben. Zu diesem Zweck muss die Verschlüsselung wieder umgekehrt werden. Diesen Przess bezeichnet man als Entschlüsselung bzw. Dechiffrierung. Schlüssel Nahezu immer benötigen swhl die Ver- als auch die Entschlüsselung einige geheime Infrmatinen, die gewöhnlich als Schlüssel bezeichnet werden. Bei einigen Verfahren muss darauf geachtet werden, dass sgenannte schwache Schlüssel existieren. Vn einem schwachen Schlüssel spricht man, wenn, bedingt durch den verwendeten Algrithmus, dieser Schlüssel Teilfunktinen des Algrithmus wirkungsls macht und damit die kryptgraphische Stärke des Verfahrens beeinträchtigt. Symmetrische Verschlüsselungsverfahren Bei einem symmetrischen Verschlüsselungsverfahren wird der gleiche Schlüssel swhl zur Chiffrierung als auch zur Dechiffrierung verwendet. Das Grundprblem dieser Verfahren besteht darin, dass alle zum Lesen der Daten befugten Persnen denselben geheimen Schlüssel besitzen müssen. Asymmetrische Verschlüsselungsverfahren Diese Verfahren bilden den Gegensatz zu den symmetrischen Verfahren. Das hinter diesen Verfahren stehende Knzept wurde im Jahre 1976 vn Whitfield Diffie und Martin Hellman vrgeschlagen. Bei asymmetrischen Verschlüsselungsverfahren werden für Chiffrierung und Dechiffrierung unterschiedliche Schlüssel verwendet, die s beschaffen sind, dass Daten, die mit dem einen Schlüssel chiffriert wurden, nur mit dem anderen wieder dechiffriert werden können. Dabei besitzt jeder Beteiligte ein Schlüsselpaar, einen öffentlichen und einen privaten Schlüssel. Ersterer wird, wie es der Name bereits andeutet, veröffentlicht, den anderen kennt ausschließlich der Eigentümer. handueberkpf.de 1

2 Verschlüsselungsmethden Ersetzungschiffren (Substitutin Ciphers) Jeder Buchstabe der jede Buchstabengruppe wird durch einen anderen Buchstaben der eine andere Buchstabengruppe ersetzt Cäsar-Chiffre a wird zu d, b wird zu e, c zu f z ist c Schlüssel ist 3 attack DWWDFN Buchstaben werden um k Zeichen verschben Mnalphabetische Substitutin Jedes Symbl des Klartextes wird auf anderen Buchstaben abgebildet Dauer bei 26 Zeichen 26! = 4 x Möglichkeiten Aufbrechen mittels statistischer Häufigkeitsverteilungen der Buchstaben (Mngramme Digramme Trigramme) Blckchiffrierung Verteilungen eines wahrscheinlich vrkmmenden Wrtes überprüfen Rückschließen auf Klartext mittels Häufigkeitsverteilungen CTBMN BYCTC BTJDS QXBNS GSTJC BTSWX CTQTZ CQVUJ F INANC IAL QJSGS TJQZZ MNQJS VLNSX VSZJU JDSTS JQUUS JUBXJ DSKSU JSNTK BGAQJ ZBGYQ TJCTZ BNYBN QJSWH HHHHH - das zu überprüfende Wrt lautet: FINANCIAL 1. Abstände feststellen i i = 4 zwölf Möglichkeiten 2. Abstände feststellen n n = 1 zwei Möglichkeiten 3. Abstände feststellen a a = 3 eine Möglichkeit 4. Häufigkeitsuntersuchung für Buchstaben (der englischen Sprache) Versetzungschiffren (Transpsitin Ciphers) Stellen die Buchstaben um und verwenden dabei keine Ersatzzeichen Spaltentranspsitin Chiffre wird durch ein Wrt (der Wrtgruppe) verschlüsselt, das keine Buchstabenwiederhlungen enthält Schlüssel dient der Spaltennumerierung Beispiel: Schlüssel lautet MEGABUCK M E G A B U C K p l e a s e t r a n s f e r n e m i l l i n d l l a r s t m y s w i s s b a n k a c c u n t s i x t w t w a b c d Klartext: pleasetransfernemillindllarstmyswissbankaccuntsixtwtw Chiffetext: AFLLSKSOSELAWAIATOOSSCTCLNMOMANTESILYNTWRNNTSOWDPAEDOBUOERIRICXB One-Time-Pad Verschlüsselungsverfahren zur sicheren Übermittlung vn Infrmatinen wird verwendet, wenn jede neue Nachricht mit einem neuen Schlüssel kdiert werden muss. Schlüssel muss s lang sein wie die Nachricht selbst und aus abslut zufälligen Werten bestehen, die keine statistischen Abhängigkeiten aufweisen, um keinen Angriffspunkt für die Kryptanalyse zu bieten. Da der Schlüssel aus statistisch unabhängigen Werten besteht und nur einmal verwendet wird, ist es mathematisch nachweisbar sicher, das heißt, es gibt kein Verfahren, die übermittelte Nachricht zu entziffern, wenn man den verwendeten Schlüssel nicht kennt. in der Praxis nur für außerrdentlich vertrauliche Nachrichten in Organisatinen mit straff rganisierten Schlüsselverteilungsmechanismen handueberkpf.de 2

3 Asymmetrisches Kryptsystem Ein asymmetrisches Kryptsystem ist ein Kryptsystem, das im Gegensatz zu einem symmetrischen Kryptsystem verschiedene Schlüssel zur Ver- und Entschlüsselung verwendet. Prinzip: handueberkpf.de Verschlüsselung: wird auch als Public-Key-Verfahren bezeichnet. Bei diesem Verfahren besitzt der Anwender zwei Schlüssel, einen öffentlichen (public key) und einen privaten Schlüssel (private key). Beide Schlüssel erfüllen bestimmte Aufgaben. Der öffentliche Schlüssel wird, wie der Name sagt, öffentlich gemacht. Jeder andere Anwender kann diesen Schlüssel benutzen, um an den Eigentümer eine verschlüsselte Nachricht zu senden. Der private Schlüssel wird vm Besitzer geheim gehalten. Er dient dazu, an ihn gesendete, verschlüsselte Nachrichten zu entschlüsseln. Entschlüsselung: Je nach verwendetem Schlüssel entstehen bei der Verschlüsselung derselben Daten unterschiedliche verschlüsselte Daten. Sei z.b. T ein zu verschlüsselnder Text, Verschlüsselung mittels geheimen Schlüssel ergibt verschlüsselten Text VT geheim öffentlichen Schlüssel ergibt VT öffentlich. VT geheim ist im allgemeinen verschieden zu VT öffentlich. Nur bei äußerst schlechte Wahl der Schlüssel können beide verschlüsselten Texte gleich sein. Dechiffrierung kann jeweils nur mit dem Gegenstück erflgen. Weder kann VT geheim mit dem geheimen Schlüssel dechiffriert werden, nch kann VT öffentlich mittels des öffentlichen Schlüssels dechiffriert werden. Diese Tatsache wird bei der elektrnischen Unterschrift genutzt, da nur der Besitzer des geheimen Schlüssels einen Hash-Wert, der das Dkument identifiziert, chiffrieren kann. Der Hash- Wert des Dkumentes wird vm Empfänger der Nachricht errechnet und mit dem chiffrierten Hash- Wert, der mit dem öffentlichen Schlüssel des Absenders dechiffriert werden kann, auf Übereinstimmung geprüft. Sind beide Hash-Werte gleich, ist sichergestellt, dass der Absender im Besitz des geheimen Schlüssels ist und das Dkument signiert hat. Anwendung: Asymmetrische Kryptsysteme werden zur Verschlüsselung, Authentifizierung und Sicherung der Integrität eingesetzt. Dies geschieht heutzutage z.b. beim -Verkehr (OpenPGP,S/MIME) ebens wie bei kryptgraphischen Prtkllen wie SSH. Vrteile: - halten das Geheimnis möglichst klein halten, da jeder Benutzer nur seinen eigenen privaten Schlüssel geheim halten muss. Im Gegensatz dazu muss bei einem symmetrischen Kryptsystemen jeder Benutzer alle Schlüssel geheim halten, was mit einem steigenden Aufwand geschehen muss, je mehr Teilnehmer daran beteiligt sind (grße Zahl an Schlüsseln). - Schlüsselverteilungsprblem fällt weg. Bei einem symmetrischen Kryptsystem müssen die Schlüssel auf einem sicheren Weg übermittelt werden. Dies kann sehr aufwändig werden, wenn die Beteiligten weit auseinander whnen. Mit dem öffentlichen Schlüssel kann dieses Prblem hne weiteres ignriert werden, da nicht er, sndern der private Schlüssel das Geheimnis trägt. - der Aufwand für die Schlüsselverwaltung nimmt ab, da beim asymmetrischen Kryptsystem alle Kmmunikatinspartner nur einen öffentlichen Schlüssel der einzelnen Partner besitzen, und nur ihren eigenen privaten Schlüssel geheim halten müssen. Wenn man mit vielen Beteiligten kmmuniziert und vn jedem einen Schlüssel bekmmt und auch für jeden einen eigenen Schlüssel generiert, steigt die Anzahl zu verwaltender Schlüssel bei einem symmetrischen Kryptsystem sehr schnell an. (Die Schlüssel müssen ja auch geheim gehalten werden.) Nachteile: Im Vergleich zu symmetrischen Algrithmen arbeiten die asymmetrischen Algrithmen recht langsam, was sich vr allem auf langsamen Rechnern der bei grßen Datenmengen bemerkbar macht. Dieses Prblem wird dadurch umgangen, dass man einen symmetrischen Einmalschlüssel erzeugt, mit dem die Daten verschlüsselt werden. Dieser Einmalschlüssel wird dann mit dem öffentlichen Schlüssel verschlüsselt und mit übermittelt. Der Empfänger entschlüsselt dann zuerst den Einmalschlüssel und danac h die eigentliche Nachricht. 3

4 Symmetrisches Kryptsystem Verschlüsselung Kryptsystem, das im Gegensatz zu einem asymmetrischen Kryptsystem denselben Schlüssel zur Ver- und Entschlüsselung einer Nachricht verwendet. Man teilt die symmetrischen Verfahren in Blckchiffren und Strmchiffren auf. Mit Strmchiffren wird der Klartext Zeichen für Zeichen ver- bzw. entschlüsselt um den Zieltext zu erhalten. Ein Blckchiffre arbeitet mit einer festen Blckgröße und ver- bzw. entschlüsselt mehrere Zeichen in einem Schritt. Der grße Nachteil symmetrischer Verfahren liegt in der Nutzung ein und desselben Schlüssels zur Ver- und Entschlüsselung. Ist der Schlüssel einem Angreifer bekannt, ist es für ihn ein Leichtes an Infrmatin zu gelangen und Fehlinfrmatinen durch Veränderung der Originalnachricht zu verbreiten. Ein weiteres typisches Prblem beim Einsatz vn symmetrischen Verfahren ist, wie der Schlüssel erstmals über unsichere Kanäle übertragen werden kann. Üblicherweise kmmen hierzu dann asymmetrische Kryptsysteme zum Einsatz basierend auf dem Diffie-Hellman-Algrithmus, wmit einige Vrteile beider ausgenutzt und einige Nachteile beider ausgemerzt werden können. Wie beispielsweise Kmbinatin der schnelleren symmetrischen Verschlüsselung mit dem Wegfallen des Zugriffs eines Angreifers auf den ungeschützten Schlüssel durch die asymmetrische Verschlüsselung über einen unsicheren Kanal. Entschlüsselung Die ersten angewandten kryptgraphischen Algrithmen waren alle symmetrische Verfahren und finden schn Erwähnung zu Julius Cäsars Zeiten (siehe ben). Verfahren AES (Advanced Encryptin Standard) der Rijndael der US-amerikanische Verschlüsselungsstandard, Nachflger des DES. Vn Jan Daemen und Vincent Rijmen entw ickeltes Blckverschlüsselungsverfahren DES (Data Encryptin Standard) der Lucifer bis zum Oktber 2000 der Verschlüsselungsstandard der USA. Lucifer, das Verfahren, wurde 1974 vn IBM entwickelt. Die Versin für Privatanwender heißt Data Encryptin Algrithm (DEA). Triple-DES, eine Weiterentwicklung des DES-Verfahrens; dreimal langsamer aber um Größenrdnungen sicherer. IDEA (Internatinal Data Encryptin Algrithm), ein 1990 an der ETH Zürich entwickeltes Blckverschlüsselungsverfahren. Sftware-patentiertiert vn Ascm Systec. Anwendung in PGP Blwfish, 1993 vn Bruce Schneier entwickeltes Blckverschlüsselungsverfahren, unpatentiert. Twfish, Blckverschlüsselungsverfahren, vm Cunterpane Team. Wird u.a. in Micrsft Windws eingesetzt. CAST-128, CAST-256, Blckverschlüsselungsverfahren vn Carlisle M. Adams, unpatentiert. Advanced Encryptin Standard Der Advanced Encryptin Standard (AES) ist ein symmetrisches Kryptsystem, welches als Nachflger für DES bzw. 3DES im Oktber 2000 vm Natinal Institute f Standards and Technlgy (NIST) als Standard bekannt gegeben wurde. Nach seinen Entwicklern Jan Daemen und Vincent Rijmen wird er auch Rijndael -Algrithmus genannt. Auswahl eines DES Nachflgers Das US-amerikanische Natinal Institute f Standards and Technlgy (NIST) hatte Anfang 1997 zu einem ffenen Wettbewerb aufgerufen, dessen Sieger als Advanced Encryptin Standard (AES) festgelegt werden sllte. Dabei wurden flgende Kriterien aufgestellt, die vn den Algrithmen zu erfüllen sind: AES muss ein symmetrischer Algrithmus sein, und zwar eine Blckchiffre. AES muss mindestens 128 Bit lange Blöcke verwenden und Schlüssel vn 128, 192 und 256 Bit Länge einsetzen können. AES sll gleichermaßen leicht in Hard- und Sftware zu implementieren sein. AES sll in Hardware wie Sftware eine überdurchschnittliche Perfrmanz haben. AES sll allen bekannten Methden der Kryptanalyse (die Kunst, einen Geheimtext hne Kenntnis des Schlüssels zu dechiffrieren) widerstehen können, insbesndere Pwer- und Timing-Attacken. Speziell für den Einsatz in Smartcards sllen geringe Ressurcen erfrderlich sein (kurze Cdelänge, niedriger Speicherbedarf ). handueberkpf.de 4

5 Der Algrithmus muss frei vn patentrechtlichen Ansprüchen sein und darf vn jedermann unentgeltlich genutzt werden. Data Encryptin Standard Der Data Encryptin Standard (kurz: DES) ist ein vr allem bei Banken und Versicherungen weit verbreiteter symmetrischer Verschlüsselungsalgrithmus. Seine Entstehungsgeschichte hat wegen der Beteiligung der NSA am Design des Algrithmus immer wieder Anlass zu Spekulatinen über seine Sicherheit gegeben. Funktinsweise: DES Funktinsweise Bei DES handelt es sich um einen symmetrischen Algrithmus, das heißt zur Ver- und Entschlüsselung wird derselbe Schlüssel verwendet. DES funktiniert als Blckchiffre, das heißt jeder Blck wird unter Verwendung des Schlüssels einzeln chiffriert, wbei die Daten in 16 Iteratinen beziehungsweise Runden vn Substitutinen und Transpsitinen (Permutatin) nach dem Schema vn Feistel "verwürfelt" werden. Die Blckgröße beträgt 64 Bits, das heißt ein 64-Bit-Blck Klartext wird in einen 64-Bit-Blck Chiffretext transfrmiert. Auch der Schlüssel, der diese Transfrmatin kntrlliert, besitzt 64 Bits. Jedch stehen dem Benutzer vn diesen 64 Bits nur 56 Bits zur Verfügung; die übrigen 8 Bits (jeweils ein Bit aus jedem Byte) werden zum Paritäts-Check benötigt. Die wirkliche Schlüssellänge beträgt daher nur 56 Bits. Die Entschlüsselung wird mit dem gleichen Algrithmus durchgeführt wbei die einzelnen Rundenschlüssel in umgekehrter Reihenflge verwendet werden. Internatinal Data Encryptin Algrithm Der IDEA -Algrithmus (Internatinal Data Encryptin Algrithm) ist ein symmetrischer Algrithmus und gehört zu den Blckchiffren. Der Algrithmus benutzt einen 128-Bit langen Schlüssel (DES nur 64 Bit, davn sind 8 Bits für den Paritäts-Check vrgesehen, s dass die eigentliche Schlüssellänge nur 56 Bits beträgt). Bei der Verschlüsselung wird der Klartext in 64 Bit grße Blöcke unterteilt und der Schlüssel in Teilstücke zu je 16 Bit zerlegt. Die Verschlüsselung geschieht durch Kmbinatin der lgischen Operatin XOR, der Additin mdul 216 und der Multiplikatin mdul Die Kmbinatin dieser drei Operatinen aus unterschiedlichen algebraischen Gruppen sll ein hhes Maß an Sicherheit gewährleisten. Das Verfahren ist dazu ptimiert, Angriffen durch differentielle Kryptanalyse zu widerstehen. Es gibt bei IDEA leider eine ganze Reihe vn schwachen Schlüsseln, die sich in zwei Klassen einteilen lassen. Die erste Klasse umfasst 232 schwache Schlüssel. Sie sind insfern schwach, als man sie mit gewähltem Klartext nachweisen kann. Danach ist ein Brute Frce Angriff selbst für Privatpersnen mit älteren PCs machbar. Die zweite Klasse umfasst sgar 265 schwache Schlüssel. Bei diesen Schlüsseln kann man mit nur 20 gewählten Klartexten 72 Bit des Schlüssels ermitteln. Die restlichen 56 Bit muss man mit Brute Frce ermitteln. Allerdings liegt die Wahrscheinlichkeit dafür einen schwachen Schlüssel zu erwischen bei eins zu 263 der eins zu 9 Trillinen. handueberkpf.de 5