Verschlüsselung

Dabei geht es nicht nur darum, Daten durch Verschlüsselung geheim zu halten, sondern auch darum sicherzustellen, dass Nachrichten nicht manipuliert wurden. Man möchte also sicherstellen, dass eine Nachricht, die ein:e Sender:in an eine:n Empfänger:in sendet, unterwegs nicht verändert wurde. Die Geschichte der Kryptografie reicht Jahrhunderte zurück und begann vor vielen tausenden Jahren. Seitdem gab es immer wieder neue Methoden, mit denen Texte verschlüsselt wurden, um Geheimnisse vor anderen zu schützen. Genauso gab es auf der anderen Seite immer Versuche Texte zu entschlüsseln. Über Jahrhunderte wurden immer wieder bestehende Verfahren geknackt und neue Methoden entwickelt, die später erfolgreich zum Teil gebrochen wurden. Heute gibt es zahlreiche Verfahren, die als sicher gelten, weil sie auf Mathematik basieren und noch kein erfolgreicher Angriff auf sie dokumentiert wurde. Niemand weiß, wie lange das durch z.B. die Steigerung von Rechenleistung in Zukunft so bleibt und ob wir vielleicht bald neue Verfahren benötigen.

Aber warum benötigen wir überhaupt Verschlüsselung? Macht Verschlüsselung nicht nur alles komplizierter? Komplizierter kann es schon werden, aber Verschlüsselung bietet uns im täglichen Leben auch einen hohen Sicherheitsgewinn. Und zum Glück gibt es längst viele Verschlüsselungstools die einfach zu benutzen sind. Wer sich zum Beispiel auf einer Webseite oder in einer App anmeldet, möchte nicht, dass das eigene Passwort unverschlüsselt durch das Internet gesendet wird, schließlich kann es so problemlos von Dritten mitgelesen werden. Aber darüber muss man sich als Benutzer:in nicht viele Gedanken machen, nahezu alle Anbieter übertragen solche Daten heute automatisch verschlüsselt. Komplizierter wird es, wenn man die Daten auf seiner eigenen Festplatte, auf einem USB-Stick oder gar bei einem Cloud-Anbieter wie Dropbox, Google Drive, iCloud etc. hinterlegt. Ein USB-Stick oder ein Rechner können verloren gehen oder gar gestohlen werden. Damit hat man vielleicht die privaten Urlaubsfotos oder andere sensible Daten verloren, auf die nun Fremde Zugriff haben. Auch bei Cloud-Anbietern ist es schon vorgekommen, dass private Daten von Nutzer:innen an die Öffentlichkeit gelangt sind. Wer seine Daten sicher verschlüsselt hat, muss sich hier keine Sorgen machen.

Doch der Schlüssel ist geheim, den darf nicht jeder besitzen oder kopieren, schließlich ermöglicht er es, das Schloss zu öffnen und das Geheimnis zu lüften. Im genannten Beispiel ist der Schlüssel das Stück Metall an unserem Schlüsselbund in der Hosentasche. Im Internet bzw. bei Verschlüsselungsverfahren ist der Schlüssel dagegen ein Text, der zum Beispiel so aussieht wie ein langes Passwort. In diesem Kapitel geht es immer darum Texte zu verschlüsseln, also in einen sogenannten Geheimtext umzuwandeln. Dafür wird ein Algorithmus und ein Schlüssel benötigt. Hauptsächlich beschäftigt sich dieses Kapitel mit symmetrischer Verschlüsselung, das bedeutet, dass Nachrichten mit dem gleichen Schlüssel ver- und entschlüsselt werden. Im späteren Verlauf wird auch noch die asymmetrische Verschlüsselung betrachtet, bei der zwei verschiedene Schlüssel verwendet werden.

Das Alphabet hat 26 Buchstaben, also kann es nur insgesamt 26 Schlüssel geben. Man könnte sie alle durchprobieren, bis ein Schlüssel passt. Dafür sollte es ausreichen, ein Wort im Text mit allen Schlüsseln zu dekodieren. Wahrscheinlich muss man aber nicht alle Schlüssel durchprobieren, schließlich kann man den Prozess abbrechen, sobald man einen passenden Schlüssel gefunden hat. In der Hälfte der Fälle muss man also nur etwa 13 Schlüssel ausprobieren, um den passenden Schlüssel zu finden. Auch wenn dies händisch ein paar Minuten dauern kann, ist dies für einen Computer nur eine winzige, automatisierte Aufgabe, die nur Bruchteile einer Sekunde dauert.

Das funktioniert natürlich nur, sobald der Geheimtext eine gewisse Länge hat, bei einzelen Wörtern geht dies nicht immer auf. In dem Wort „Buchstabe“ tritt das E nur einmal auf, dafür aber zweimal ein B. Wenn wir das oben verwendete Wort „Verschluesselung“ betrachten, taucht der Buchstabe E dreimal auf, aber auch der Buchstabe S. Alle anderen Buchstaben tauchen nur zwei oder weniger oft auf. Da mit dem Cäsar-Rad jeder Buchstabe gleich verschlüsselt wird, können wir uns nun ansehen, welche Buchstaben in der verschlüsselten Version am häufigsten auftreten. In unserem Fall sind „X“ und „J“ jeweils 3 mal vertreten. Die beiden Buchstaben entsprechen einem Schlüssel von 5 und 14. Also haben wir nun nur noch zwei Schlüssel, die ausprobiert werden müssen.

Achtung: Wenn der codierte Text nicht auf Deutsch ist, ist die Häufigkeit der Buchstaben anders verteilt. Leider kann man einem codierten Text seine Sprache vorher nicht ansehen. Hier bleibt einem nichts anderes übrig als Annahmen zu treffen und es dann auszuprobieren: welche Sprachen beherrscht der Autor? In welchem Land wurde die Nachricht gefunden? Gibt es im verschlüsselten Text beispielsweise Wörter mit nur einem Buchstaben? Solche Wörter gibt es zum Beispiel in der deutschen Sprache nicht, aber zum Beispiel im Englischen oder Französischen.

Im Zeitalter des Internets hat man das Problem, dass man mit jemandem verschlüsselt kommunizieren möchte, den man noch nie getroffen hat. Voraussetzung war bisher immer ein gemeinsamer, geheimer Schlüssel. Wenn ich den Schlüssel jedoch unverschlüsselt an jemanden versende, damit beide den gleichen Schlüssel für die Ver- und Entschlüsselung kennen, könnte man sich das Verschlüsseln gleich sparen. Denn wenn man davon ausgeht, dass es möglich ist, die Nachricht mitzulesen, dann ist es auch möglich, dass Dritte bei der Übertragung den Schlüssel mitlesen können. Wenn dieser nicht mehr geheim ist, kann die Nachricht auch nicht mehr geheim sein. Dies ist ein Problem bei der symmetrischen Verschlüsselungsverfahren, die wir bisher betrachtet haben. Doch zum Glück gibt es dafür auch eine Lösung: Hier arbeitet man mit sogenannten asymmetrischen Verfahren, bei denen beide Kommunikationsteilnehmer einen öffentlichen und einen privaten Schlüssel haben. Mehr darüber erfährst du in Kapitel 05 Sicheres Kommunizieren.

Momentan verwendete Verschlüsselungsverfahren gelten als sicher, weil sie sich nur knacken lassen, indem man alle möglichen Schlüssel ausprobiert. Deshalb ist es wichtig, ausreichend lange Schlüssel zu verwenden. Ein Computer kann automatisiert alle Kombinationen durchprobieren und dabei Millionen Möglichkeiten pro Sekunde durchprobieren. Wer den Schlüssel ausreichend lang gestaltet kann sicherstellen, dass ein heutiger Computer mehr als hunderte Jahre benötigen würde, um den Schlüssel zu knacken. Neben der Dauer würden dabei allerdings auch noch exorbitant hohe Stromkosten anfallen, die jemand finanzieren müsste. Man kann sich also soweit auf der sicheren Seite fühlen.

Auch kann es sein, dass Forscher eines Tages eine Schwachstelle in den verwendeten Algorithmen finden, sodass sie als nicht mehr sicher gelten können. Wenn die eingesetzten Verfahren jedoch seit Jahren geprüft werden und momentan keine Schwachstellen bekannt sind, finden sich möglicherweise auch in Zukunft keine.

Die heutigen Verschlüsselungsalgorithmen und Empfehlungen für Schlüssellängen berücksichtigen natürlich auch, dass Computer im Laufe der Zeit schneller werden, also immer mehr Rechenkraft liefern. Es wird aber auch an neueren Technologien für Computern geforscht, die noch einmal in ganz anderen Dimensionen schneller sein könnten. Gemeint sind hier sogenannte Quantencomputer, an denen seit Jahrzehnten geforscht wird. Sollten diese Quantencomputer jemals einsatzbereit sein, hätten sie eine so enorme Rechenleistung, dass all unsere heutigen Verschlüsselungsverfahren hinfällig wären. Genauso wird allerdings auch seit Jahrzehnten erfolgreich an Verschlüsselungsverfahren gearbeitet, die Verschlüsselung im Zeitalter der Quantencomputer ermöglichen. Der österreichische Physiker Anton Zeilinger hat 2022 den Nobelpreis für seine Forschung im Bereich Quanten und Quantenkryptografie bekommen.  Es wäre also auch weiterhin möglich sicher zu verschlüsseln. Gleichzeitig würden Quantencomputer aber auch bedeuten, dass alle mit bisherigen Verschlüsselungsverfahren verschlüsselten Nachrichten, die noch gespeichert irgendwo vorliegen, einfach entschlüsselt werden können.