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Eine einfache Veranschaulichung der Public-Key-Kryptographie, einer der am weitesten verbreiteten Verschlüsselungsformen.

In der Kryptographie bezeichnet Verschlüsselung (genauer: Kodierung ) den Prozess der Umwandlung von Informationen in eine Weise, die idealerweise nur von autorisierten Parteien entschlüsselt werden kann. Dabei wird die ursprüngliche Darstellung der Information, der sogenannte Klartext , in eine alternative Form, den Geheimtext , umgewandelt . Trotz dieses Ziels verhindert die Verschlüsselung selbst keine Manipulationen, sondern entzieht einem potenziellen Angreifer den lesbaren Inhalt.

Aus technischen Gründen verwendet ein Verschlüsselungsverfahren üblicherweise einen pseudozufälligen Verschlüsselungsschlüssel , der von einem Algorithmus generiert wird . Es ist zwar möglich, die Nachricht auch ohne den Schlüssel zu entschlüsseln, doch erfordert ein gut konzipiertes Verschlüsselungsverfahren erhebliche Rechenressourcen und Fachkenntnisse. Ein autorisierter Empfänger kann die Nachricht mit dem vom Absender bereitgestellten Schlüssel problemlos entschlüsseln, nicht jedoch unbefugte Nutzer.

Historisch gesehen wurden verschiedene Verschlüsselungsformen zur Unterstützung der Kryptographie eingesetzt. Frühe Verschlüsselungstechniken fanden häufig Anwendung in der militärischen Nachrichtenübermittlung. Seitdem sind neue Techniken entstanden und in allen Bereichen der modernen Informatik weit verbreitet. [ 1 ] Moderne Verschlüsselungsverfahren nutzen die Konzepte der Public-Key- [ 2 ] und der symmetrischen Verschlüsselung . [ 1 ] Moderne Verschlüsselungstechniken gewährleisten Sicherheit, da moderne Computer beim Knacken der Verschlüsselung ineffizient sind.

Geschichte

Uralt

Eine der frühesten Formen der Verschlüsselung ist die Symbolersetzung, die erstmals im Grab von Chnumhotep II. gefunden wurde , der um 1900 v. Chr. in Ägypten lebte . Die Symbolersetzungsverschlüsselung ist „nicht standardisiert“, was bedeutet, dass die Symbole einen Chiffreschlüssel benötigen, um entschlüsselt zu werden. Diese frühe Verschlüsselungsmethode wurde im antiken Griechenland und Rom für militärische Zwecke eingesetzt. [ 3 ] Eine der bekanntesten Entwicklungen im Bereich der militärischen Verschlüsselung war die Caesar-Verschlüsselung . Dabei wird ein Klartextbuchstabe um eine festgelegte Anzahl von Positionen im Alphabet verschoben, um den verschlüsselten Buchstaben zu erhalten. Eine mit dieser Verschlüsselungsmethode verschlüsselte Nachricht konnte mit einer festgelegten Anzahl von Stellen in der Caesar-Verschlüsselung entschlüsselt werden. [ 4 ]

Um 800 n. Chr. entwickelte der arabische Mathematiker al-Kindi die Frequenzanalyse – ein Versuch, Chiffren systematisch zu entschlüsseln, darunter auch die Caesar-Verschlüsselung. [ 3 ] Diese Technik untersuchte die Häufigkeit von Buchstaben in der verschlüsselten Nachricht, um die passende Verschiebung zu bestimmen: Da beispielsweise der häufigste Buchstabe im Englischen E ist, wird er wahrscheinlich durch den Buchstaben ersetzt, der im Geheimtext am häufigsten vorkommt. Diese Technik wurde durch die polyalphabetische Chiffre , die von al-Qalqashandi (1355–1418) [ 2 ] und Leon Battista Alberti (1465) beschrieben wurde, unwirksam. Diese Chiffre variierte das Substitutionsalphabet während der Verschlüsselung, um eine solche Analyse zu erschweren.

19.–20. Jahrhundert

Um 1790 entwickelte Thomas Jefferson die Theorie einer Chiffre zur Verschlüsselung und Entschlüsselung von Nachrichten, um die militärische Korrespondenz sicherer zu gestalten. Die Chiffre, heute bekannt als Radchiffre oder Jefferson-Scheibe , wurde zwar nie realisiert, basierte aber theoretisch auf einer Spule, die eine englische Nachricht mit bis zu 36 Zeichen verschlüsseln konnte. Die entschlüsselte Nachricht konnte durch Einlegen in einen Empfänger mit identischer Chiffre entschlüsselt werden. [ 5 ]

Ein ähnliches Gerät wie die Jefferson-Scheibe, die M-94 , wurde 1917 unabhängig von US-Army- Major Joseph Mauborne entwickelt. Dieses Gerät wurde bis 1942 in der US-Militärkommunikation eingesetzt. [ 6 ]

Im Zweiten Weltkrieg nutzten die Achsenmächte eine weiterentwickelte Version der M-94, die sogenannte Enigma-Maschine . Die Enigma-Maschine war komplexer, da sich die Buchstabenkombination – anders als beim Jefferson-Rad und der M-94 – täglich komplett änderte. Da nur die Achsenmächte die jeweilige Tageskombination kannten, glaubten viele, den Code nur durch Ausprobieren von über 17.000 Kombinationen innerhalb von 24 Stunden knacken zu können. [ 7 ] Die Alliierten nutzten Rechenleistung, um die Anzahl der täglich zu überprüfenden Kombinationen drastisch zu reduzieren, was schließlich zur Entschlüsselung der Enigma-Maschine führte.

Modern

Heutzutage wird Verschlüsselung bei der Kommunikation über das Internet aus Sicherheits- und Handelsgründen eingesetzt. [ 1 ] Mit der stetig steigenden Rechenleistung entwickelt sich auch die Computerverschlüsselung kontinuierlich weiter, um Abhörangriffe zu verhindern . [ 8 ] DES , eine der ersten „modernen“ Verschlüsselungssuiten , verwendete einen 56-Bit-Schlüssel mit 72.057.594.037.927.936 Möglichkeiten. Sie wurde 1999 von der EFF mit einem Brute-Force -DES-Cracker geknackt , wofür 22 Stunden und 15 Minuten benötigt wurden. Moderne Verschlüsselungsstandards verwenden oft stärkere Schlüssellängen, wie beispielsweise AES (256-Bit-Modus), TwoFish , ChaCha20-Poly1305 und Serpent (konfigurierbar bis zu 512 Bit). Verschlüsselungssuiten mit einem 128-Bit- oder höheren Schlüssel, wie AES, können nicht per Brute-Force geknackt werden, da die Gesamtzahl der möglichen Schlüssel 3,4028237 × 10³⁸ beträgt. Die wahrscheinlichste Methode zum Knacken von Verschlüsselungsverfahren mit großen Schlüssellängen besteht darin, Schwachstellen im Verschlüsselungsverfahren selbst zu finden, wie etwa systembedingte Verzerrungen und Hintertüren , oder physikalische Nebeneffekte durch Seitenkanalangriffe auszunutzen . Beispielsweise wurde RC4 , ein Stromchiffre, aufgrund systembedingter Verzerrungen und Schwachstellen im Verschlüsselungsverfahren geknackt.

Verschlüsselung in der Kryptographie

Im Kontext der Kryptographie dient die Verschlüsselung als Mechanismus zur Gewährleistung der Vertraulichkeit . [ 1 ] Da Daten im Internet sichtbar sein können, sind sensible Informationen wie Passwörter und persönliche Kommunikation potenziellen Abfangern ausgesetzt . [ 1 ] Der Prozess der Ver- und Entschlüsselung von Nachrichten erfordert Schlüssel . Die zwei Haupttypen von Schlüsseln in kryptographischen Systemen sind symmetrische und asymmetrische Schlüssel (auch bekannt als Public-Key-Verschlüsselung). [ 9 ] [ 10 ]

Viele komplexe kryptographische Algorithmen verwenden in ihren Implementierungen häufig einfache modulare Arithmetik . [ 11 ]

Typen

Bei symmetrischen Verschlüsselungsverfahren [ 12 ] sind Verschlüsselungs- und Entschlüsselungsschlüssel identisch. Kommunikationspartner müssen denselben Schlüssel besitzen, um eine sichere Kommunikation zu gewährleisten. Die deutsche Enigma-Maschine verwendete täglich einen neuen symmetrischen Schlüssel zum Ver- und Entschlüsseln von Nachrichten.

Bei Public-Key-Kryptographieverfahren wird der Verschlüsselungsschlüssel veröffentlicht, sodass ihn jeder zum Verschlüsseln von Nachrichten verwenden kann. Der Entschlüsselungsschlüssel, mit dem die Nachrichten gelesen werden können, ist jedoch nur dem Empfänger zugänglich. [ 13 ] Die Public-Key-Verschlüsselung wurde erstmals 1973 in einem geheimen Dokument beschrieben; [ 14 ] zuvor waren alle Verschlüsselungsverfahren symmetrisch (auch Private-Key-Verschlüsselung genannt). [ 15 ] : 478 Obwohl die Arbeit von Diffie und Hellman erst später veröffentlicht wurde, erschien sie in einer Fachzeitschrift mit großer Leserschaft, und der Wert der Methodik wurde explizit beschrieben. [ 16 ] Das Verfahren wurde als Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch bekannt .

RSA (Rivest-Shamir-Adleman) ist ein weiteres bekanntes Public-Key -Kryptosystem . Es wurde 1978 entwickelt und wird auch heute noch für Anwendungen mit digitalen Signaturen verwendet . [ 17 ] Der RSA-Algorithmus wählt mithilfe der Zahlentheorie zwei Primzahlen aus , die zur Generierung der Verschlüsselungs- und Entschlüsselungsschlüssel beitragen. [ 18 ]

Die öffentlich verfügbare Public-Key-Verschlüsselungsanwendung Pretty Good Privacy (PGP) wurde 1991 von Phil Zimmermann entwickelt und zusammen mit dem Quellcode kostenlos vertrieben. PGP wurde 2010 von Symantec übernommen und wird regelmäßig aktualisiert. [ 19 ]

Verwendung

Verschlüsselung wird seit Langem von Militärs und Regierungen zur Sicherung geheimer Kommunikation eingesetzt . Sie ist heute weit verbreitet, um Informationen in vielen zivilen Systemen zu schützen. So berichtete beispielsweise das Computer Security Institute , dass 2007 71 % der befragten Unternehmen einen Teil ihrer Daten während der Übertragung und 53 % einen Teil ihrer gespeicherten Daten verschlüsselten. [ 20 ] Verschlüsselung kann auch zum Schutz ruhender Daten verwendet werden, etwa von Informationen auf Computern und Speichermedien (z. B. USB-Sticks ). In den letzten Jahren gab es zahlreiche Berichte über vertrauliche Daten, wie z. B. Kundendaten, die durch Verlust oder Diebstahl von Laptops oder externen Festplatten offengelegt wurden. Die Verschlüsselung solcher Dateien im Ruhezustand schützt sie, falls physische Sicherheitsmaßnahmen versagen. [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] Systeme zur Verwaltung digitaler Rechte ( DRM) , die die unbefugte Nutzung oder Vervielfältigung urheberrechtlich geschützten Materials verhindern und Software vor Reverse Engineering schützen (siehe auch Kopierschutz ), sind ein weiteres, etwas anderes Beispiel für die Verwendung von Verschlüsselung ruhender Daten. [ 24 ]

Verschlüsselung dient auch dem Schutz von Daten während der Übertragung, beispielsweise von Daten, die über Netzwerke (z. B. das Internet, E-Commerce ), Mobiltelefone , drahtlose Mikrofone , drahtlose Gegensprechanlagen , Bluetooth- Geräte und Bankautomaten übertragen werden. In den letzten Jahren gab es zahlreiche Berichte über abgefangene Daten während der Übertragung. [ 25 ] Daten sollten auch bei der Übertragung über Netzwerke verschlüsselt werden, um sie vor dem Abhören des Netzwerkverkehrs durch unbefugte Nutzer zu schützen. [ 26 ]

Einhaltung gesetzlicher Bestimmungen

Die Verschlüsselung spielt eine zentrale Rolle bei der Erfüllung der regulatorischen Anforderungen zum Schutz sensibler Daten. Gemäß der HIPAA- Sicherheitsregel ist die Verschlüsselung elektronischer geschützter Gesundheitsinformationen (ePHI) als „adressierbare“ Implementierungsvorgabe eingestuft. Das bedeutet, dass die betroffenen Einrichtungen sie implementieren oder dokumentieren müssen, warum eine gleichwertige alternative Maßnahme angemessen und gerechtfertigt ist. [ 27 ] Die HIPAA-Regel zur Meldung von Datenschutzverletzungen bietet einen Schutzraum für verschlüsselte Daten: Datenschutzverletzungen, die ePHI betreffen, die gemäß den NIST-Standards verschlüsselt wurden, gelten nicht als meldepflichtige Vorfälle. Eine geplante Aktualisierung der HIPAA-Sicherheitsregel (NPRM, Dezember 2024) würde die Verschlüsselung von ePHI im Ruhezustand und während der Übertragung zu einer verpflichtenden Anforderung machen und ihren derzeitigen „adressierbaren“ Status aufheben. [ 28 ]

Der Payment Card Industry Data Security Standard (PCI DSS) fordert die Verschlüsselung von Karteninhaberdaten sowohl bei der Speicherung (Anforderung 3) als auch bei der Übertragung über offene öffentliche Netzwerke (Anforderung 4) und schreibt die Verwendung starker kryptografischer Algorithmen vor. [ 29 ]

Datenlöschung

Herkömmliche Methoden zum endgültigen Löschen von Daten auf einem Speichermedium beinhalten das Überschreiben des gesamten Inhalts mit Nullen, Einsen oder anderen Mustern – ein Prozess, der je nach Kapazität und Art des Speichermediums viel Zeit in Anspruch nehmen kann. Kryptografie bietet eine Möglichkeit, das Löschen nahezu augenblicklich durchzuführen. Diese Methode wird als Krypto-Shredding bezeichnet . Ein Beispiel für die Implementierung dieser Methode findet sich auf iOS- Geräten, wo der kryptografische Schlüssel in einem dedizierten, „ löschbaren Speicher“ abgelegt wird. [ 30 ] Da der Schlüssel auf demselben Gerät gespeichert ist, bietet diese Lösung allein keinen vollständigen Schutz vor Datenschutz und Datensicherheit, falls eine unbefugte Person physischen Zugriff auf das Gerät erlangt.

Einschränkungen

Im 21. Jahrhundert dient die Verschlüsselung dem Schutz digitaler Daten und Informationssysteme. Mit der im Laufe der Jahre gestiegenen Rechenleistung hat sich die Verschlüsselungstechnologie stetig weiterentwickelt und ist sicherer geworden. Dieser technologische Fortschritt hat jedoch auch eine potenzielle Schwäche der heutigen Verschlüsselungsmethoden aufgezeigt.

Die Länge des Verschlüsselungsschlüssels ist ein Indikator für die Stärke des Verschlüsselungsverfahrens. Beispielsweise war der ursprüngliche Verschlüsselungsschlüssel DES (Data Encryption Standard) 56 Bit lang, was 2^56 Kombinationsmöglichkeiten ergab. Mit der heutigen Rechenleistung ist ein 56-Bit-Schlüssel nicht mehr sicher und anfällig für Brute-Force-Angriffe . [ 31 ]

Quantencomputing nutzt die Eigenschaften der Quantenmechanik , um große Datenmengen gleichzeitig zu verarbeiten. Es hat sich gezeigt, dass Quantencomputer Rechengeschwindigkeiten erreichen, die Tausende Male höher sind als die heutiger Supercomputer. [ 32 ] Diese Rechenleistung stellt eine Herausforderung für die heutige Verschlüsselungstechnologie dar. Beispielsweise verwendet die RSA-Verschlüsselung die Multiplikation sehr großer Primzahlen, um eine Semiprimzahl für ihren öffentlichen Schlüssel zu erzeugen. Um diesen Schlüssel ohne den zugehörigen privaten Schlüssel zu entschlüsseln, muss diese Semiprimzahl faktorisiert werden, was mit modernen Computern sehr lange dauern kann. Ein Supercomputer bräuchte Wochen bis Monate, um diesen Schlüssel zu faktorisieren. [ 33 ] Quantencomputing hingegen kann Quantenalgorithmen verwenden , um diese Semiprimzahl in der gleichen Zeit zu faktorisieren, die normale Computer für ihre Berechnung benötigen. Dadurch wären alle Daten, die durch aktuelle Public-Key-Verschlüsselung geschützt sind, anfällig für Angriffe durch Quantencomputer. [ 34 ] Auch andere Verschlüsselungstechniken wie die elliptische Kurvenkryptographie und die symmetrische Verschlüsselung sind anfällig für Quantencomputing.

Obwohl Quantencomputing zukünftig eine Bedrohung für die Verschlüsselungssicherheit darstellen könnte, ist es in seiner jetzigen Form noch sehr eingeschränkt. Quantencomputer sind derzeit nicht kommerziell erhältlich, können keine großen Datenmengen verarbeiten und existieren lediglich als Rechengeräte, nicht als vollwertige Computer. [ 35 ] Fortschritte im Bereich des Quantencomputings können jedoch auch für die Verschlüsselung genutzt werden. Die National Security Agency (NSA) erarbeitet derzeit Post-Quanten-Verschlüsselungsstandards für die Zukunft. [ 36 ] Quantenverschlüsselung verspricht ein Sicherheitsniveau, das der Bedrohung durch Quantencomputing entgegenwirken kann. [ 35 ]

Angriffe und Gegenmaßnahmen

Verschlüsselung ist ein wichtiges Werkzeug, reicht aber allein nicht aus, um die Sicherheit und Vertraulichkeit sensibler Informationen während ihres gesamten Lebenszyklus zu gewährleisten. Die meisten Verschlüsselungsverfahren schützen Informationen nur im Ruhezustand oder während der Übertragung. Sensible Daten bleiben im Klartext erhalten und sind somit potenziell anfällig für unbefugte Offenlegung während der Verarbeitung, beispielsweise durch einen Cloud- Dienst. Homomorphe Verschlüsselung und sichere Mehrparteienberechnung sind neue Verfahren zur Verarbeitung verschlüsselter Daten. Diese Verfahren sind allgemein anwendbar und Turing-vollständig , verursachen jedoch hohe Rechen- und/oder Kommunikationskosten.

Als Reaktion auf die Verschlüsselung ruhender Daten haben Cyberkriminelle neue Angriffsarten entwickelt. Zu diesen neueren Bedrohungen der Datenverschlüsselung zählen kryptografische Angriffe [ 37 ] , Angriffe durch gestohlenen Chiffretext [ 38 ] , Angriffe auf Verschlüsselungsschlüssel [ 39 ] , Insiderangriffe , Angriffe auf Datenbeschädigung oder -integrität [ 40 ] , Datenzerstörungsangriffe und Ransomware -Angriffe. Datenfragmentierung [ 41 ] und aktive Verteidigung [ 42 ] als Datenschutztechnologien versuchen, einigen dieser Angriffe entgegenzuwirken, indem sie den Chiffretext verteilen, verschieben oder verändern, um dessen Identifizierung, Diebstahl, Beschädigung oder Zerstörung zu erschweren. [ 43 ]

Die Debatte um die Verschlüsselung

Die Frage nach dem Ausgleich zwischen nationaler Sicherheit und dem Recht auf Privatsphäre wird seit Jahren diskutiert, da Verschlüsselung in der heutigen digitalen Gesellschaft unerlässlich geworden ist. Die moderne Verschlüsselungsdebatte [ 44 ] begann in den 1990er-Jahren, als die US-Regierung versuchte, Kryptografie zu verbieten, da diese ihrer Ansicht nach die nationale Sicherheit gefährden würde. Die Debatte ist polarisiert und spaltet sich in zwei gegensätzliche Positionen: Befürworter starker Verschlüsselung sehen darin ein Problem, das es Kriminellen erleichtert, ihre illegalen Handlungen online zu verbergen, während andere argumentieren, Verschlüsselung schütze die digitale Kommunikation. Die Debatte verschärfte sich 2014, als große Technologiekonzerne wie Apple und Google die Verschlüsselung standardmäßig auf ihren Geräten einführten. Dies war der Beginn einer Reihe von Kontroversen, die Regierungen, Unternehmen und Internetnutzer gleichermaßen betreffen.

Integritätsschutz von Chiffretexten

Verschlüsselung allein schützt zwar die Vertraulichkeit von Nachrichten, doch sind weitere Techniken erforderlich, um deren Integrität und Authentizität zu gewährleisten. Dazu gehören beispielsweise die Überprüfung eines Message Authentication Code (MAC) oder einer digitalen Signatur, üblicherweise mittels eines Hash-Algorithmus oder einer PGP-Signatur . Authentifizierte Verschlüsselungsalgorithmen bieten sowohl Verschlüsselung als auch Integritätsschutz. Standards für kryptografische Software und Hardware zur Verschlüsselung sind weit verbreitet, doch die erfolgreiche Anwendung von Verschlüsselung zur Gewährleistung von Sicherheit kann eine Herausforderung darstellen. Ein einziger Fehler im Systemdesign oder in der Ausführung kann erfolgreiche Angriffe ermöglichen. Manchmal gelingt es Angreifern, unverschlüsselte Informationen zu erlangen, ohne die Verschlüsselung direkt aufzuheben. Siehe beispielsweise Verkehrsanalyse , TEMPEST oder Trojaner . [ 45 ]

Integritätsschutzmechanismen wie MACs und digitale Signaturen müssen auf den Chiffretext angewendet werden, sobald dieser erstellt wird – typischerweise auf demselben Gerät, mit dem die Nachricht verfasst wurde. Dies gewährleistet eine durchgängige Schutzwirkung der Nachricht entlang ihres gesamten Übertragungsweges. Andernfalls könnte jeder Knoten zwischen Absender und Verschlüsselungsgerät die Nachricht potenziell manipulieren. Die Verschlüsselung bei der Erstellung ist nur dann sicher, wenn das Verschlüsselungsgerät selbst über die korrekten Schlüssel verfügt und nicht manipuliert wurde. Wenn ein Endgerät beispielsweise so konfiguriert ist, dass es einem von einem Angreifer kontrollierten Root-Zertifikat vertraut , kann der Angreifer verschlüsselte Daten durch einen Man-in-the-Middle-Angriff an beliebiger Stelle entlang des Übertragungswegs einsehen und manipulieren. Die gängige Praxis des TLS-Abfangens durch Netzwerkbetreiber stellt eine kontrollierte und institutionell sanktionierte Form eines solchen Angriffs dar. Staaten haben jedoch auch versucht, solche Angriffe als Mittel der Kontrolle und Zensur einzusetzen. [ 46 ]

Chiffretextlänge und Auffüllung

Selbst wenn die Verschlüsselung den Inhalt einer Nachricht wirksam verbirgt und Manipulationen verhindert, bleibt die Länge des Chiffretextes eine Form von Metadaten , die sensible Informationen preisgeben können. Beispielsweise nutzten die bekannten CRIME- und BREACH- Angriffe auf HTTPS die Informationslecks durch die Länge der verschlüsselten Nachricht als Seitenkanalangriff aus . [ 47 ] Die Verkehrsanalyse im weiteren Sinne umfasst Techniken, die Metadaten – wie Nachrichtengröße und -zeitpunkt – verwenden, um Rückschlüsse auf Kommunikationsmuster zu ziehen.

Das Auffüllen einer Nachricht vor der Verschlüsselung kann die tatsächliche Länge des Klartextes verschleiern, erhöht jedoch die Größe des Geheimtextes und den Bandbreitenbedarf . Das Auffüllen kann zufällig oder deterministisch erfolgen , wobei jede Methode unterschiedliche Vor- und Nachteile mit sich bringt. Die Verschlüsselung und das Auffüllen von Daten zur Erzeugung von aufgefüllten, gleichverteilten Zufallsblöcken (PURBs) gewährleisten, dass der Geheimtext keine Metadaten über die Struktur des Klartextes preisgibt und nur asymptotisch minimale Informationen über seine Länge durchsickern. [ 48 ]

Siehe auch

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Weiterführende Literatur