Document ID: /fineweb-2-swissfilter-quality_10-filterrobots/filtered/03113.jsonl.gz/121

Ziel dieses Artikels ist es, Informationen zum Sachgebiet der praktischen Kryptographie für jeden bereit zu stellen, der kryptographische Software einsetzen möchte. Zum grössten Teil habe ich es vermieden, eine zu technische Diskussion zu führen. Es geht um eine allgemeinere Erklärung von dem, was jedermann verstehen sollte, der gerade damit beginnt, Verschlüsselungstechniken anzuwenden. Diejenigen, die tiefer in die theoretischen Aspekte eindringen möchten, sollten das Buch von Bruce Schneier konsultieren (siehe Bibliographie am Ende).
Eine Einführung in die Anwendung
der Verschlüsselung
von Peter Meyer
Übersetzung aus dem Englischen von Klaus Scharff
English version
Kryptographie ist die Kunst oder die Wissenschaft der Geheimschrift, oder präziser, die Kunst der Aufbewahrung von Information (über einen mehr oder weniger langen Zeitraum) in einer Form, die es erlaubt, diese Information nur denjenigen zu offenbaren, die sie erfahren sollen, während sie für alle anderen unerreichbar bleibt. Ein Kryptosystem ist eine Methode, die genau dies bewerkstelligen kann. Kryptoanalyse befasst sich mit der Praxis, derartige Versuche der Informationsverhüllung zu widerlegen. Kryptologie umfasst sowohl die Kryptographie als auch die Kryptoanalyse.
Die ursprüngliche Information, die verborgen werden soll, wird als Ursprungstext bezeichnet. Die verborgene Information erhält die Bezeichnung Chiffriertext. Verschlüsselung oder Chiffrierung ist jede Methode, die Ursprungstext in Chiffriertext verwandelt. Entschlüsselung oder Dechiffrierung ist jede Methode, die Chiffriertext in Ursprungstext zurück verwandelt.
Ein Kryptosystem wird normalerweise so entwickelt, dass die Entschlüsselung nur von Personen erreicht werden kann, die im Besitz einer Maschine zur Entschlüsselung sind (in diesen Tagen ist dies im allgemeinen ein Computerprogramm) und die eine zusätzliche Information zur Verfügung haben, den sogenannten Dechiffrierschlüssel. Beim Prozess der Entschlüsselung muss dieser Schlüssel in die Maschine eingegeben werden.
Ursprungstext wird mit einem Chiffriergerät (im allgemeinen ein Computerprogramm) in Chiffriertext umgewandelt. Dabei ist die Operation des Chiffriergerätes festgelegt und determiniert (die Methode der Verschlüsselung). In der Praxis ist die Arbeitsweise des Chiffriergerätes von einer speziellen Information abhängig (dem Chiffrierschlüssel), die massgeblichen Einfluss auf die Ausgabe des Verschlüsselungsprozesses hat.
Ein Kryptosystem kann entworfen werden, das mehrere unterschiedliche Methoden der Verschlüsselung verwendet. Die besondere Methode, die für einen Prozess der Verschlüsselung gewählt wird, hängt von der Wahl des Schlüssels ab. Die Kombination der Verschlüsselungsmethoden resultiert wiederum n einer Verschlüsselungsmethode, die ebenso determiniert ist, wie ein einfacheres Kryptosystem, obwohl sie für Kryptoanalytiker sehr viel schwieriger durch aufzubrechen ist. Ein gutes Kryptosystem sollte tatsächlich die Details seiner Verschlüsselungsmethode in einer schlüsselabhängigen Weise variieren, obwohl hohe Sicherheit die Kombination von unterschiedlichen Verschlüsselungs-algorithmen nicht unbedingt erforderlich macht.
Als Resultat der Entschlüsselungsmethode und des Chiffrierschlüssels sollte immer der ursprüngliche Text herauskommen, der zuvor mit der Verschlüsselungsmethode und dem Chiffrierschlüssel in Chiffriertext umgewandelt wurde (abgesehen von einigen unerheblichen Differenzen).
In diesem Prozess kann der Schlüssel zur Verschlüsselung mit dem Schlüssel zur Entschlüsselung identisch sein, oder auch nicht. Wenn die beiden Schlüssel übereinstimmen, dann spricht man von einem "symmetrischen" Schlüsselsystem, im anderen Fall spricht man von einem "asymmetrischen" Schlüsselsystem. Das am meisten bekannte Beispiel eines symmetrischen Kryptosystems ist das DES ("Data Encryption Standard"). Das am meisten bekannte Beispiel eines asymmetrischen Kryptosystems ist das PGP.
Ein Verschlüsselungsalgorithmus (eine präzise Spezifikation der Schritte, die unternommen werden müssen, um einen Ursprungstext zu verschlüsseln, oder um einen Chiffriertext wieder in Ursprungstext zu dechiffrieren) nennt man einen "asymmetrischer Algorithmus" , wenn die Schlüssel, die jeweils für die Entschlüsselung und die Verschlüsselung verwendet werden, unterschiedlich sind; im anderen Fall handelt es sich um einen "symmetrischen Algorithmus"
Es gibt viele gute Gründe, warum eine Verschlüsselung angewendet wird, (Beispiele werden weiter unten gegeben) und das Kryptosystem, das man selbst verwendet, sollte für die eigenen Zwecke optimal geeignet sein. Ausserdem sollte ein Kryptosystem alle Anforderungen, die in bezug auf Sicherheit, Zuverlässigkeit und leichte Handhabung zu stellen sind, voll und ganz erfüllen.
- Leichte Handhabung ist leicht einzusehen
- Zuverlässigkeit bedeutet, dass das Kryptosystem bei zielgerichteter Verwendung die verborgene Information immer dann freigibt, wenn es erforderlich ist (in anderen Worten, der Chiffriertext kann in jedem Fall wiederhergestellt werden und die wiederhergestellten Daten stimmen mit den Daten des ursprünglichen Textes exakt überein).
- Sicherheit bedeutet, dass das Kryptosystem effektiv in der Lage ist, die Information für alle die Personen verborgen zu halten, für die sie nicht vorgesehen ist, auch wenn Versuche von anderen gemacht werden, das System zu entziffern.
Leichte Handhabung ist die Qualität, die noch am Einfachsten abgesichert werden kann. Wenn der Chiffrierschlüssel eine Folge von 64 hexadezimalen Ziffern ist (ein 256.Bit-Schüssel) wie etwa:
B923A2C98DF3DA34FBC31AC67B4D290CA2ABE78A234BC4D1A67A1A37CDA89
Dann könnten sie nicht nur ein Problem mit der Erinnerung haben, sondern auch bei der Anwendung (versuchen Sie diese Folge mehrere Male einzutippen). Bei solch einem Schlüssel ist es notwendig, ihn nieder zu schreiben oder ihn in einer Datei auf einer Diskette zu speichern. In diesem Fall besteht die Gefahr, dass er von jemand entdeckt werden könnte.
Ein Kryptosystem, das leicht zu verwenden ist, sollte eine String-Eingabe über die Tastatur zulassen, von 10 bis 60 Zeichen. Auf diese Weise sind Redewendungen gestattet, wie etwa "Lay on MacDuff!" . Zwischenräume sollten keine Bedeutung haben, ebenso wie Gross- und Kleinschreibung, so dass sie sich über Varianten wie "Lay on Mac Duff!" oder "Lay on Macduff" keine Gedanken machen müssen.
Zuverlässigkeit ist die Qualität, die als nächste leicht zu testen ist. Wenn es nicht möglich ist, einen formalen Beweis darüber zu geben, dass die Entschlüsselung der Verschlüsselung eines Ursprungstextes immer mit dem Ursprungstext identisch ist, dann sollte es wenigsten möglich sein, Software für einen Zuverlässigkeitstest zu entwickeln. Mit dieser Software sollten für Testzwecke vielfache Verschlüsselungen und Entschlüsselungen mit unterschiedlichen Schlüsseln durchgeführt werden können (obwohl dieses Testverfahren nicht alles erfassen kann). Test-Software dieser Art wird bei kommerziellen Verschlüsselungsprogrammen nur selten mitgegeben.
Schliesslich stellt sich die Frage nach der Sicherheit. Die Sicherheit eines Kryptosystems ist immer relativ in bezug auf die Aufgabe, die das Kryptosystem erfüllen soll, und zu den Bedingungen, unter denen es angewendet wird. Ein theoretisch sicheres System wird spätestens dann unsicher, wenn es von Personen angewendet wird, die ihren Chiffrierschlüssel auf ein Stück Papier schreiben, das sie an ihren Computerterminal heften.
Im allgemeinen kann der Nachweis über die Sicherheit niemals vollständig geführt werden, und zwar in dem Sinne, dass es ohne Kenntnis des Dechiffrierschlüssels, auch mit stärkstem Computereinsatz, in der realen Welt nicht möglich ist, den Ursprungstext in, sagen wir, weniger als 1000 Jahre zu rekonstruieren. Es gibt immer etwas, das schief gehen kann, und zukünftige Fortschritte bei der Leistungsfähigkeiten von Computern (um eine kryptoanalytische Attacke leicht führen zu können) sind nicht im voraus bekannt.
In der Theorie gibt es nur ein Kryptosystem, das unter dem Namen "One-Time-Pad" bekannt ist, und das als absolut sicher gilt. Aber in der Praxis ist es eher schwerfällig, da der Schlüssel nur einmal verwendet werden kann, ohne die Sicherheit des Systems bloss zu stellen. Wegen seiner Sicherheit ist es eine der Methoden, die von Regierungen angewendet werden, um Geheimnisse zu schützen, da sie sich den Aufwand leisten können, die damit verbundenen Unbequemlichkeiten auszuhalten.
In einigen Fällen ist es möglich, den Nachweis darüber zu bringen, dass die Auflösung des Kryptosystems gleichwertig mit dem Lösen eines besonderen mathematischen Problems ist, wie z.B. das Problem der Faktorisierung von grossen Zahlen. (grosse Zahlen bedeutet hier, dass es sich um Zahlen von mehreren hundert Stellen handelt). Wenn viele Mathematiker über viele Jahre hinweg erfolglos an der Lösung dieses Problems gearbeitet haben, dann gibt es Anlass zu der Vermutung, dass ein Kryptosystem, das auf diesem Problem basiert, als sicher angesehen werden kann. Wie auch immer, es gibt keine Garantie, dass eine Lösung für das mathematische Problem nicht schon morgen gefunden wird. In diesem Fall würde die Sicherheit des Kryptosystems über Nacht verschwinden (zumindest, wenn es sich herumgesprochen hat).
Im Fall von PGP und anderer Verschlüsselungssoftware wie etwa RIPEM, die sich auf einem asymmetrischen Verschlüsselungsalgorithmus wie den RSA Algorithmus verlassen, wird weithin angenommen, dass sie dann und nur dann sicher sind, wenn das Problem der Faktorisierung von grossen Zahlen unlösbar bleibt (d.h. mittels Computer nicht erreichbar in realistischen Zeitenräumen). 1994 wurde von William H.Üayne die Behauptung aufgestellt (aber offensichtlich nicht bestätigt) dass eine Methode der Kryptoanalyse für den RSA Algorithmus gefunden worden ist, die nicht von einer allgemeinen Lösung des Faktorisierungsproblems für grosse Zahle abhängt. Eine Nachricht aus der USENET-Gruppe sci.crypt (Francis Barrett) bemerkte dazu:
Although factoring is believed to be hard, and factoring breaks RSA, breaking RSA does not simplify factoring. Trivial non-factoring methods of breaking RSA could therefore exist. Whether this paper [by Payne] is legitimate remains to be seen, but it is certainly not beyond the realm of possiblity.
Es wird manchmal behauptet, dass das PGP das sicherste Programm zur Verschlüsselung sein soll, das auf PC's verfügbar ist. Diese Behauptung hält einer kritischen Überprüfung nicht stand. Wenn zwei Verschlüsselungsprogramme gegeben sind, von denen jedes einen Chiffriertext erzeugt, der wie zufällig angeordnet aussieht, wie kann man eine Entscheidung darüber treffen, ob eines der Programme "sicherer" als das andere ist — auch wenn alle Details der Verschlüsselungsalgorithmen bekannt sind? Wenn man keine Methode finden kann, eines der Systeme zu knacken, dann gibt es keine klare Antwort. Wenn keine Kriterien angegeben werden können, die festlegen, ob eine Programm sicherer einzustufen ist als eine anderes, dann macht es keinen Sinn, zu fragen, welches von beiden das Programm mit mehr Sicherheit ist.
Die "Brute Force"-Attacken auf eine Kryptosystem (eine Brute-Force Attacke befasst sich mit dem Versuch, alle mögliche Schlüssel zu testen, um irgend einen Chiffriertext zu entziffern, und zwar solange, bis der Schlüssel gefunden ist, der funktioniert) können verglichen werden, da sich die durchschnittliche Zeit, die für eine erfolgreiche Brute-Force-Attacke aufgewendet werden muss, aus dem Produkt der Hälfte der Anzahl aller möglichen Schlüssel mit der Zeit ergibt, die für den Test eines einzigen Schlüssels nötig ist (indem dieser Schlüssels zur Entzifferung verwendet und der daraus resultierenden Text auf irgend einen vernünftigen Inhalt überprüft wird). Es ist nur zu klar, dass das Kryptosystem, wenn die Grösse des mit dem Kryptosystem assoziierten Schlüsselraumes (d.h. die Menge aller möglichen Schlüssel) klein ist (d.h. 216 = 65 536), gegenüber einer Brute-Force-Attacke anfällig ist. Aber wenn das Kryptosystem einen grossen Schlüsselraum besitzt ( ein mit dem Kryptosystem assoziierter Schlüsselraum, dessen Grösse etwa bei 10151 liegt), dann ist eine Brute-Force-Attacke nicht mehr möglich, und daher muss jede Schwäche des Systems, sofern eine vorhanden ist, irgendwo anders gesucht werden.
Im allgemeinen kann die Sicherheit eines Kryptosystems nur durch seinen Widerstand gemessen wenn, den es den aktuellen Versuchen in der Praxis entgegenstellt, die das System aufbrechen wollen. Diejenigen, die geknackt worden sind, haben offensichtlich keine Sicherheit. (Es gibt mehrere kommerzielle, für PC erhältliche Verschlüsselungspakete, die entziffert wurden; siehe z.B. die Artikel von Kochanski in der Bibliographie am Ende diese Anhangs). Diejenigen Systeme, die der Aufmerksamkeit von vielen Kryptoanalytikern über viele Jahre Widerstand geleistet haben, sind zur Sicherheit verurteilt, zumindest solange, bis bessere Methoden der Krypotanalyse erfunden werden.
Im Fall von DES gab es einen lange gehegten Verdacht, dass die U.S. National Security Agency (NSA) die Entwickler des Systems bei IBM beeinflusst hat, so dass das System stark genug war, die meisten Angriffe auszuhalten, aber nicht stark genug, um den Kryptoanalytikern der NSA zu widerstehen.
The original design submitted by IBM permitted all 16 x 48 = 768 bits of key used in the 16 rounds to be selected independently. A U.S. Senate Select Committee ascertained in 1977 that the U.S. National Security Agency (NSA) was instrumental in reducing the DES secret key to 56 bits that are each used many times, although this had previously been denied by IBM ... — Massey, p.541.
Aber die besten Versuche von Kryptoanalytikern haben über die Jahre nur eher magere Resultate produziert (insbesondere, die Demonstration von Adi Shamir, dass die Kryptoanalyse von DES-Chiffriertext, im einfachsten DES-Modus (Electronic Code Book), mit einem nur geringfügig kleineren Aufwand durchgeführt werden kann als der Aufwand, der für eine Brute-Force-Attacke erforderlich ist). Aber erst zuletzt ist eine neue Methode für die DES-Kryptoanalyse vorgeschlagen worden, die mit einem massiven Einsatz der Technik von Parallelverarbeitung verbunden ist (unter der gleichzeitigen Verwendung von vielen Rechnern, oder Prozessoren). Es erscheint nun klar, dass für einige wenige Millionen Dollar Computer gebaut werden können, die in der Lage sind, DES-Chiffriertext in wenigen Stunden aufzubrechen. Da die NSA praktisch über unbegrenzte finanzielle Mittel und die höchste Konzentration an Computerleistung und mathematischem Talent in der Welt verfügt, ist es mehr als wahrscheinlich, dass die NSA die Fähigkeit besitzt, DES-Chiffriertext zu entziffern
Tatsächlich wurde im Jahr 1997 ein Brute-Force-Attacke (mit Hilfe von vielen Computern, die parallel arbeiteten) unternommen, DES aufzubrechen (obwohl nur in seiner einfachsten Form — dem sogenannten ECB_Modus).
NSA hat natürlich niemals bestätigt oder verneint, dass sie fähig sind, DES zu knacken. ("NSA" ist auch eine andere Bezeichnung für "Never Say Anything" und in früheren Jahren "No Such Agency"). Jedoch ist die Abwesenheit von Publikationen über eine Demonstration, wie ein spezielles Kryptosystem aufzubrechen ist, kein Beweis, dass es nicht geschehen ist. Jedermann, der einen Weg entdeckt, wie DES,RSA usw. zu knacken sind, könnte eine Menge Geld damit machen, indem er einen Entschlüsselungsservice anbietet, und nicht indem er die Welt über seine Entdeckung informiert. Wenn er dies tatsächlich bekanntgeben würde, dann würden die Leute schnell aufhören, das Kryptosystem zu verwenden und er würde weniger Klienten haben.
Bei der Auswahl eines Kryptosystems, oder einer kryptographischen Software, sollten Sie zuerst Überlegungen anstellen, was Sie damit machen wollen. Es gibt viele (vollständig legitime) Gründe, warum Sie wünschen könnten, Information zu verbergen, z.B.:
- Firmen besitzen oft Datenbanken über ihre Angestellten, die vertraulichen Schutz geniessen, wie etwa medizinische Aufzeichnungen, Gehaltslisten usw. Angestellte würden sich sicherer fühlen, wenn sie wissen, dass diese Dateien verschlüsselt und für eine beiläufige Inspektion durch Büroangestellte, die mit der Aufgabe der Dateneingabe betraut sind (die bestochen werden können, mit dem Zweck, Informationen über jemand herauszubekommen), nicht zugängig sind.
- Personen teilen möglicherweise den Arbeitsplatz mit anderen, über deren Vertrauenswürdigkeit sie sich nicht im Klaren sind, und sie könnten eine Absicherung haben wollen, dass im Fall ihrer Abwesenheit niemand etwas herausfinden kann, indem er in ihrer Festplatte herumschnüffelt.
- Eine Firma möchte sensible Geschäftsdaten zwischen zwei Orten, etwa den Zweigstellen, übertragen. Oder sie könnte die Absicht haben, vertrauliche Informationen (z.B. Verhandlungspositionen, Verfahrensweisen oder Eigentumsnachweise) an einen Bereichsagenten (unter Umständen ins Ausland) zu senden. Wenn die Information vor der Versendung verschlüsselt wird, dann braucht sich niemand darüber Sorgen machen, ob diese Sendung abgefangen werden kann, denn die verschlüsselten Daten sind unverständlich (ohne den Dechiffrierschlüssel).
- Eine Firma besitzt Information darüber, dass ein Mitkonkurrent Interesse hat, etwas in Erfahrung zu bringen, wie z.B. Informationen, die die legalen und finanziellen Probleme betreffen, Forschungsresultate, wer der Kunden sind, und was sie einkaufen, Informationen, die Verletzungen von staatlichen Auflagen enthüllen, Geheimformeln oder Details über Herstellungsprozesse, zukünftige Expansionspläne oder Pläne für die Entwicklung neuer Produkte.
- Eine Person oder eine Firma beabsichtigen, einen Computer, der sensible Informationen enthält, an einen entfernten Ort zu transportieren, ohne sich Gedanken darüber machen zu müssen, ob der Computer während seiner Reise untersucht wird (z.B. durch Zollagenten), so dass Informationen unerwünscht frei werden.
- Zwei Personen haben vielleicht die Absicht, eine Korrespondenz mit E-Mail durchzuführen, über Dinge, die sie unter privatem Verschluss halten wollen, und die sie so sichern wollen, dass kein anderer ihre Post lesen kann.
Aus den oben genannten Beispielen ist es ersichtlich, dass es zwei allgemeine Fälle gibt, in denen Verschlüsselung notwendig ist:
(a) Wenn eine einmal verschlüsselte Information an einer Stelle (und unverletzlich durch unauthorisierten Zugriff) einfach aufbewahrt wird, bis sich die Notwendigkeit eines Zugriffs auf die Information ergibt.
(b) Wenn Information irgendwohin übertragen werden soll. Dabei sollte sie so verschlüsselt werden, dass ein Abfangspezialist, der die Information an sich bringt, bevor sie ihre Zielbestimmung erreicht hat, unmöglich etwas finden kann, was Sinn ergibt.:
Im Fall (b) entsteht das Problem der Sicherheit beim Austausch des Schlüssels. Dieses Problem existiert, da die Person, die die Information entschlüsseln will, normalerweise nicht die Person ist, die die Information verschlüsselt hat. Nehmen wir an, dass der Dechiffrierer im Besitz einer Dechiffriermaschine ist (normalerweise ein Softwareprogramm). Wie kann der Dechiffrierer in Erfahrung bringen, welchen Schlüssel er verwenden soll? Diese Information muss dem Dechiffrierer in irgend einer Form mitgeteilt werden. Wenn der Schlüssel im Verlauf dieser Kommunikation durch eine dritte Partei abgefangen wird, dann ist diese dritte Partei auch in der Lage, einen Chiffriertext abzufangen und zu entziffern, der nachfolgend vom Chiffrierer zum Dechiffrierer gesendet wird.
Dies ist ein Problem, dem alle Anwender eines symmetrischen Schlüsselsystems (z.B. DES und Kryptosystem ME5) begegnen, wenn sie verschlüsselte Daten übertragen, da in solchen Systemen der Chiffrierschlüssel mit dem Dechiffrierschlüssel übereinstimmen muss. Der Chiffrierer kann sich für einen Schlüssel nach freier Wahl entscheiden, aber wie kann dieser Schlüssel dem Dechiffrierer auf einem sicheren Weg mitgeteilt werden? Regierungen lösen dieses Problem in der Regel so, dass sie den Schlüssel in eine abgeschlossenen Aktentasche legen, diese Aktentasche mit Handschellen an das Handgelenk eines vertrauenswürdigen Untergebenen ketten, ihn mit mehreren bewaffneten Wachleuten umgeben, um die Aktentasche schliesslich persönlich zu überbringen (als typisches Beispiel, in eine Botschaft im Ausland). Diese Lösung ist für normale Bürger im allgemeinen zu teuer.
Wenn Sie wissen, dass ihre Post nicht geöffnet wird, dann können Sie den Schlüssel auf diese Weise versenden, aber wer kann sich dafür verbürgen? Sogar registrierte Post könnte durch Agenten von Regierungen geöffnet werden, die wenig Skrupel haben. Der beste Weg, den Schlüssel an irgend eine Person weiterzugeben, der sie verschlüsseltes Material senden wollen, ist der persönliche Kontakt, an einem Platz, an dem der Austausch nicht beobachtet werden kann. Falls dies nicht möglich ist, dann bieten sich viele andere, allerdings weniger sichere Wege an. Falls Sie zum Beispiel für einige Jahre in der gleichen Stadt gelebt haben wie die Person, dann könnten Sie die Person anrufen und sagen : " Erinnern Sie sich an das Restaurant in Paris, wo wir öfters zusammen gefrühstückt haben ? Erinnern Sie sich an den Namen der Kellnerin? Wir sollten ihren Namen als gemeinsamen Schlüssel vereinbaren." Dann sind Sie im Besitz eines Schlüssels, über den nur zwei Personen Bescheid wissen, wenn nicht irgend jemand sonst ausführliche Informationen über Ihre Frühstücksgewohnheiten in Paris vor einigen Jahren besitzt, und der den Namen der Kellnerin kennt, mit der Sie in Kontakt gekommen sein könnten.
Es gibt eine Klasse von Kryptosystemen, die als öffentliche Schlüsselsysteme bekannt geworden sind. Diese wurden zuerst in den 70-ziger Jahren entwickelt, um das Problem des sicheren Schlüsselaustausches zu lösen. Dies sind Systeme, auf die oben als asymmetrische Systeme Bezug genommen wurde und die einen Chiffrierschlüssel verwenden, der verschieden vom Dechiffrierschlüssel ist. Solche öffentlichen Systeme gehen, bei geeigneter Verwendung, einen eher umständlichen Weg zur Lösung des Problems eines sicheren Schlüsselaustausches. Der Chiffrierschlüssel kann der ganzen Welt mitgeteilt werden, ohne dass Gefahr besteht, dass die Sicherheit der Kommunikation gefährdet ist, vorausgesetzt der Dechiffrierschlüssel bleibt geheim.
Nehmen wir an, dass wir verschlüsselte E-Mail von unserer Freundin Alice empfangen wollen. Wir senden ihr unseren bekannten Schlüssel — der, der bei der Verschlüsselung verwendet wird. Alice schreibt einen leidenschaftlichen Liebesbrief auf ihrem PC, verschlüsselt ihn mit unserem öffentlichen Schlüssel und sendet ihn an uns weiter. Sie entschlüsseln den Brief mit Ihrem privaten Schlüssel. Wenn Ihre zweite Freundin Karin diesen Brief abfängt, dann hat sie keine Möglichkeit, diesen Brief zu entziffern, da der öffentliche Schlüssel (von dem angenommen wird, dass er jedermann bekannt ist, also auch ihr) für die Entschlüsselung nicht brauchbar ist. Die Entschlüsselung lässt sich nur mit dem privaten Schlüssel durchführen, über den nur Sie Bescheid wissen (falls Karin ihn nicht bei einer Untersuchung Ihrer Festplatte gefunden hat, als Sie gerade unter der Dusche standen).
Ein öffentliches Schlüsselsystem verlässt sich auf einige mathematische Prozeduren, die öffentliche und private Schlüssel erzeugen. Die mathematische Natur dieser Systeme erlaubt gewöhnlich, dass die Sicherheit des Systems durch den Schwierigkeitsgrad gemessen wird, mit der einige mathematische Problem gelöst werden können. Es gibt eine Vielzahl von öffentlichen Kryptosystemen, die bekanntesten sind die, die auf dem oben erwähnten RSA-Algorithmus basieren (der nach seinen Erfindern benannt und patentiert worden, Rivest, Shamir and Adelman).
Wie wir bereits weiter oben erwähnten verlässt sich seine Sicherheit auf die Schwierigkeit grosse Zahlen zu faktorisieren. Es zwei andere Public-Key-Systeme, die mit Lizenz für kommerzielle Anwendungen erhältlich sind, eines ist das LUC Public-Key-System (von LUC Enryption Technology, Sierra Madre , CA). und eines, das von dem Computerhersteller NEXT, Inc. entwickelt wurde.
Man sollte wissen, dass RSA sehr empfindlich für Angriffe auf den ausgewählten Text ist. Es gibt eine neue "Timing-Attacke", die verwendet werden kann, um viele Implementationen von RSA aufzubrechen. Man glaubt, dass der RSA-Algorithmus sicher ist, wenn er richtig verwendet wird, aber man muss bei seiner Verwendung sehr sorgfältig sein, um Attacken ausschalten zu können. — Public Key Algorithms
Public-Key Kryptographie hat Anwendungen jenseits der klassischen, die sich mit dem Verstecken von Information befasst. Als eine Konsequenz davon, dass die Schlüssel für Verschlüsselung und Entschlüsselung verschieden sind, ist es möglich, digitale Signaturen zu machen (zur Authentifizierung von Dokumenten) und digitale Formen von solchen Aktivitäten wie gleichzeitiges Unterzeichnen eines Kontraktes. Digital Cash ist auch eine Idee, die auf der Verwendung eines asymmetrischen Kryptosystems basiert.
Obwohl die Kryptographie des öffentlichen Schlüssels das Problem des Schlüsselaustausches in der Theorie löst, hat es im allgemeinen eine Reihe von Nachteilen, verglichen mit den symmetrischen (oder geheimen) Schlüsselsystemen. Der erste ist die Geschwindigkeit. Im allgemeinen sind öffentliche Schlüsselsysteme sehr viel langsamer als die geheimen Schlüsselsysteme und daher können sie für die Verschlüsselung von kleinen Datenmengen durchaus geeignet sein, wie etwa bei Nachrichten, die über E-Mail versendet werden. Sie sind nicht geeignet für grosse Mengen von Daten, die sich bei der Verschlüsselung im Bereich von Megabytes befinden. Geheime Schlüsselsysteme können sehr schnell sein (besonders dann, wenn sie über in Chips codierte Instruktionen implementiert sind, statt im Arbeitsspeicher eines Computers abzulaufen). Je komplexer solch ein System ist, umso grösser ist die Tendenz zur Langsamkeit, aber auch die komplexen Systeme zeigen im allgemeinen akzeptable Geschwindigkeit. Ein Programm, das die Daten 1992 mit einer Geschwindigkeit von 4 KB/s verschlüsselt hat, wird dies bald (wenn nicht schon jetzt) mit 100 KB/s tun.
Der zweite Nachteil des öffentlichen Schlüsselsystems besteht im Problem der Bestätigung des Schlüssels. Wenn Sie verschlüsselte Daten an eine Person, sagen wir Frank, schicken wollen, und Sie haben eine Schlüssel erhalten, von dem gesagt wird, dass er Frank's öffentlicher Schlüssel ist, wie können Sie herausbekommen, dass dies wirklich Frank's Schlüssel ist? Was wäre, wenn eine dritte Partei, Jack, gerade dabei, ist einen öffentlichen Schlüssel im Namen von Frank bekannt zu geben? Wenn Jack für eine Regierung arbeitet, die an einer genauen Überwachung ihrer Bürger interessiert ist, dann wird sie sicherlich Kommunikationskanäle beobachten, die von Frank benutzt werden. So können die verschlüsselten Daten, die an Frank gehen, jederzeit abgefangen werden, Jack kann sie alle entziffern (da er den dazu passenden privaten Schlüssel besitzt). Wenn Jack wirklich schlau wäre, und Franks wahren öffentlichen Schlüssel kennt, dann würde er Ihre Nachricht an Frank neu verschlüsseln, unter Verwendung des öffentlichen Schlüssels (nachdem er wahrscheinlich die Nachricht verändert hat), und er würde die Nachricht an Frank weitergeleitet haben, als ob sie direkt von Ihnen gekommen wäre. Frank würde dann mit seinem privaten Schlüssel entschlüsseln und eine Nachricht lesen, von der er annimmt, dass sie von Ihnen ist, aber die tatsächlich ziemlich verschieden von dem sein könnte, was Sie abgeschickt haben. Theoretisch könnte Jack in der Mitte einer angenommenen, gegenseitigen E-Mail-Korrespondenz zwischen Ihnen und Frank sitzen, alles lesen, was Sie dem anderen Partner zusenden, an jeden der beiden Partner verfälschte Nachrichten schicken, die irgend etwas anderes aussagen. Dabei lässt er beide im Glauben, dass diese von ihm veränderte Nachricht jeweils vom anderen Partner geschickt worden ist.
1993 schrieb ein Teilnehmer der Newsgruppe sci.crypt (Terry Ritter, 1992-11-29):
When we have a secret-key cipher, we have the serious problem of transporting a key in absolute secrecy. However, after we do this, we can depend on the cipher providing its level of technical secrecy as long as the key is not exposed.
When we have a public-key cipher, we apparently have solved the problem of transporting a key. In fact, however, we have only done so if we ignore the security requirement to validate that key. Now, clearly, validation must be easier than secure transport, so it can be a big advantage. But validation is not trivial, and many people do not understand that it is necessary.
When we have a public-key cipher and use an unvalidated key, our messages could be exposed to a spoofer who has not had to "break" the cipher. The spoofer has not had to break RSA. The spoofer has not had to break IDEA. Thus, discussion of the technical strength of RSA and IDEA are insufficient to characterize the overall strength of such a cipher. In contrast, discussion of the technical strength of a secret-key cipher *IS* sufficient to characterize the strength of that cipher.
Discussion of the strength of public-key cipher mechanisms is irrelevant without a discussion of the strength of the public-key validation protocol. Private-key ciphers need no such protocol, nor any such discussion. And a public-key cipher which includes the required key-validation protocol can be almost as much trouble as a secret-key cipher which needs none.
Wenn die Verschlüsselung im Fall (a) verwendet wird, mit dem Ziel der Aufbewahrung am Ort (und unverletzlich durch unauthorisierten Zugriff), bis sich die Notwendigkeit für einen Zugriff auf diese Information ergibt, dann ist ein geheimes Schlüsselsystem deutlich vorzuziehen, da ein solches System den Vorzug der Geschwindigkeit hat, es gibt kein Problem bei der Bestätigung des Schlüssels und es gibt auch kein Problem beim Schlüsselaustausch (da es keine Notwendigkeit gibt, den Chiffrierschlüssel an irgend jemand übertragen, es sei denn die Übertragung geschieht von Angesicht zu Angesicht).
Wie auch immer, viele Menschen verwenden noch ein Kryptosystem, das relativ leicht aufzubrechen ist, da sie kein besseres kennengelernt haben. So erlaubt zum Beispiel das Textverarbeitungsprogramm WordPerfect, dass Sie die Information in einer Datei mit Hilfe eines Passwortes verschliessen können. Ehepartner könnten denken, dass sie, indem sie ihre WordPerfect-Dateien verschliessen, schreiben können, was sie wollen, und sich nicht darüber sorgen müssen, ob der andere Partner genau dies später gegen sie verwenden könnte. Was der eine Partner aber nicht weiss ist, dass es Programme gibt, die automatisch (in ein paar Sekunden) das Passwort finden können, das zur Abschliessung der WordPerfect-Dateien verwendet wurde.
Tatsächlich wurde der Nachweis erbracht, dass die Verschlüsselungsmethode von WordPerfect (zumindest für die Versionen 5.1 und früher) leicht aufzubrechen ist. Vollständige Beschreibungen werden in den Artikeln von Benett, für die Version 4.2, und von Bergen und Caelli, für die Version 5.0, gegeben (siehe Bibliographie weiter unten).
Ein anderer Fall ist das Verschlüsselungsschema, das vom Mikrosoft-Programm Word verwendet wird. Eine Methode, die Word-Dateien zu knacken, wurde gegen Ende des Jahres 1993 über das Usenet veröffentlicht. Daher ist auch diese Methode des Informationsschutzes als nun veraltet einzuschätzen. Es gibt sogar eine Firma , Access Data Recovery (in Orem , Utah) die Software verkauft, die automatisch Passwörter entdeckt, die verwendet werden, um Daten in einer Reihe von kommerziellen Softwareanwendungen zu verschlüsseln, einschliesslich Lotus 123.
Um ein Kryptosystem als stark einzuschätzen, sollte es die folgenden Eigenschaften besitzen:
Die Idee dahinter ist wie folgt: Wir nehmen an, dass die Elemente des Chiffriertextes aus den 256 möglichen Bytes(0 bis FF) gebildet sind. Der Chiffriertext lässt sich so als eine Folge von Bytes (in einer Reihe angeordnet)auffassen. Jetzt verdoppeln wir die Folge und plazieren sie unter der ersten Folge (mit dem ersten Byte der zweiten Folge unter dem ersten Byte der ersten Folge). Wir erhalten so einen Folge aus Paaren von identischen Bytes. Dann verschieben wir die untere Folge nach rechts, sagen wir um 8 Stellen. Danach zählen wir, wie viele Paare es gibt, in denen die Bytes identisch sind. Wenn die Folge der Bytes wirklich zufällig wäre, dann würden wir erwarten, dass 1/256 der Paare aus identischen Bytes bestehen, d.h. ungefähr 0.39% von ihnen. Es ist nicht schwierig, eine Programm zu schreiben, dass eine Ansammlung von Daten analysiert, indem die Indizes der Übereinstimmung Für unterschiedliche Verschiebungen gezählt werden (auch als Kappa-Wert bekannt) Wenn wir solch ein Programm mit gewöhnlichem englischen Text laufen lassen, dann erhalten wir Werte wie folgt ("IÜ" bedeutet Index der Übereinstimmung):
- Die Sicherheit der verschlüsselten Daten besteht mehr in der Geheimhaltung des Schlüssels, als in irgend einer Geheimhaltung des Algorithmus. In anderen Worten, selbst wenn ein Angreifer die vollen Einzelheiten der Methode kennt, die sowohl zur Verschlüsselung als auch zur Entschlüsselung verwendet wird, sollte ihm das nicht erlauben, den Chiffriertext zu entziffern, sofern er nichts über den Schlüssel weiss, der bei der Verschlüsselung benutzt wurde ( es ist ausserdem ziemlich offensichtlich, dass seine Aufgabe noch schwieriger wird, wenn er keine Kenntnis von der Methode hat- man könnte anmerken, dass das Pentagon keine Einzelheiten über ihre Verschlüsselungstechniken enthüllt).
- Ein starkes Kryptosystem hat einen grossen Schlüsselraum, d.h. dass es sehr viele mögliche Schlüssel gibt. DES scheint in dieser Hinsicht von vielen als unzureichend angesehen zu werden, da es nur 256 (ungefähr 1017) mögliche Schlüssel umfasst. Der Schlüsselraum grösser als 10100 sein, was in einem System möglich ist, das 60 Zeichen als Schlüssellänge erlaubt (vorausgesetzt, dass es nicht zwei Schlüssel gibt, die gleiche Wirkung auf die Verschlüsselung haben)
- Ein starkes Kryptosystem wird Chiffriertext erzeugen, der für alle statistische Standardtests zufällig erscheint. Eine volle Diskussion dieser Testverfahren übersteigt den Rahmen dieser Einführung über die Verwendung von Verschlüsselungssoftware. Aber wir sollten uns einen interessanten Test anschauen, den sogenannten Kappatest, auch als Index des Zusammenfallens (Index der Übereinstimmung)bekannt.
Verschiebung IÜ Übereinstimmung 1 5.85% 2397 in 40968 2 6.23% 2551 in 40967 3 9.23% 3780 in 40966 4 8.31% 3406 in 40965 5 7.91% 3240 in 40964 6 7.88% 3227 in 40963 7 7.78% 3187 in 40962 8 7.92% 3244 in 40961 9 8.24% 3377 in 40960 10 7.98% 3268 in 40959 11 8.16% 3341 in 40958 12 8.09% 3315 in 40957 13 8.15% 3337 in 40956 14 7.97% 3264 in 40955 15 7.97% 3265 in 40954 16 8.07% 3306 in 40953 17 8.04% 3293 in 40952 18 7.85% 3214 in 40951
In einer Wortdatei mit englischem Text finden sich in typischer Weise nur um die 80 unterschiedliche Bytewerte. Wenn diese Bytewerte zufällig verteilt wären, dann würden wir einen Index der Übereinstimmung von 1/80 erwarten, d.h. 1.25%. Jedoch ist die Verteilung der Buchstaben in englischen Texten nicht zufällig ("e", "t", und das Leerzeichen ereignen sich mit der grössten Häufigkeit). Das ist der Grund, warum wir die grösseren IÜ-Werte erhalten, wie oben angezeigt.
Der Kappatest kann verwendet werden, um schwache Kryptosysteme aufzubrechen, oder um zumindest Hinweise über Möglichkeiten der Entschlüsselung zu erhalten. Der Index der Übereinstimmung für die Verschiebung, die der Länge des Chiffrierschlüssels entspricht, wird oft signifikant höher ausfallen als bei anderen Indizes. In diesem Fall lässt sich die Länge des Schlüssels ableiten. Als Beispiel sind hier die Indizes des Zusammenfallens für eine Datei aus chiffriertem Text (Grösse: 2048 Bytes) angeführt. Dieser Chiffriertext ist aus einem Text durch Verschlüsselung mit einem schwachen Kryptosystem entstanden (ein System, dass im Dezember 1993 in sci.crypt diskutiert wurde):Verschiebung IÜ Übereinstimmung 1 0.15% 3 in 2047 2 0.34% 7 in 2046 3 0.34% 7 in 2045 4 0.54% 11 in 2044 5 0.44% 9 in 2043 6 0.39% 8 in 2042 7 0.24% 5 in 2041 8 0.49% 10 in 2040 9 0.49% 10 in 2039 10 0.29% 6 in 2038 11 0.15% 3 in 2037 12 0.10% 2 in 2036 13 0.64% 13 in 2035 14 0.74% 15 in 2034 15 0.39% 8 in 2033 16 0.20% 4 in 2032 17 0.30% 6 in 2031 18 0.34% 7 in 2030
In dem Chiffriertext finden sich 256 unterschiedliche Bytewerte. Wenn sie also zufällig wären, dann sollte der Kappawert für jede Verschiebung nicht über 0.39% liegen. Aber die Kappawerte für die Verschiebungen 13 und 14 sind signifikant höher als die anderen. Dies legt nahe, dass der Schlüssel, der bei der Verschlüsselung verwendet wurde, entweder die Länge 13 oder 14 hat. Dieser Hinweis führte zur Entschlüsselung des Chiffriertextes und es stellte sich heraus, dass die Schlüssellänge tatsächlich 13 war.
Als ein Beispiel wie nicht-zufällig einige Chiffriertexte sein können, die von kommerziellen Kryptosystemen erzeugt werden, wollen wir den Verschlüsselungsalgorithmus betrachten, der vom Norton Diskreet Programm verwendet wird. Die Datei mit dem Namen Norton.INI, die mit dem Diskreet Programm geliefert wird, enthält 530 Bytes und 41 unterschiedliche Bytewerte, einschliesslich 403 Stellen mit dem Nullwert. Wenn wir diese Datei verschlüsseln, indem wir die private Diskreet-Verschlüsselkungsmethode und den Schlüssel "ABCDEFGHIJ" verwenden, erhalten wir eine Datei NORTON.SEC, die 2048 Bytes umfasst, einschliesslich 1015 Nullbytes. Wenn wir diese Datei mit einem Hex-Editor untersuchen, finden wir, dass sie aus den Buchstaben "PNCICRYPT", sieben 0- oder 1-Bytes, 1024 Bytes, die offensichtlich völlig durcheinander sind (der Chiffriertext) und schliesslich 1008 Null-Bytes. Wir extrahieren die 1024 Bytes des Chiffriertextes. Es gibt 229 unterschiedliche Bytewerte in diesem Chiffriertext. Wenn er so wirklich zufällig sein würde, dann müssten wir Kappawerte von 1/229 erwarten, d.h. ungefähr 0.44%. Was wir finden sieht wie folgt aus:Verschiebung IÜ Übereinstimmung 1 0.29% 3 in 1023 2 21.72% 222 in 1022 3 0.69% 7 in 1021 4 1.08% 11 in 1020 5 0.49% 5 in 1019 6 0.20% 2 in 1018 7 0.39% 4 in 1017 8 0.00% 0 in 1016 9 0.79% 8 in 1015 10 0.39% 4 in 1014 11 0.69% 7 in 1013 12 0.69% 7 in 1012 13 0.30% 3 in 1011 14 0.99% 10 in 1010 15 0.20% 2 in 1009 16 0.30% 3 in 1008 17 0.40% 4 in 1007 18 0.20% 2 in 1006Die Zahl von 21.72% für die Verschiebung 2 ist wirklich erstaunlich. Wenn wir uns den Chiffriertext mit einem Hexeditor anschauen, dann sehen wir, dass er viele Zeilen hat, die ein Bytemuster der folgenden Art zeigen:xx yy aa bb aa bb cc dd cc dd ee ff ee ff gg hh gg hh ...d.h. Zeilen, in den die Paare von Bytes die Neigung haben, sich zu wiederholen. z.Beispiel:4B 25 4B 25 8D 28 8D 28 2D F8 2D F8 21 AC 21 AC E8 9E E8 9E F2 FC F2 FC C6 C5 C6 C5 7E 4F 7E 4F B2 8B B2 8B 32 EE 32 EE 25 2C 25 2C A5 32 A5 32 8D 61 8D 61 E5 C1 E5 C1 D4 F7 D4 F7
Dies erklärt, warum das Verschieben des Chiffriertextes gegen sich selbst um zwei Plätze nach rechts solch eine grosse Anzahl von Zusammentreffen erzeugt. Dieser Chiffriertext zeigt deutliche Regelmässigkeiten und erscheint daher weit von Zufälligkeit entfernt. Nach solchen Regelmässigkeiten hält der Kryptoanalytiker Ausschau, als Hinweise auf die Verschlüsselungsmethode und den Schlüssel, was ihm ein gutes Kryptosystem verweigern sollte.
NORTON.INI lässt sich, unter Verwendung des gleichen Schlüssels, in eine Datei von einigen hundert Bytes verschlüsseln, mit Kappawerten wie folgt:Verschiebung IÜ Übereinstimmung 1 0.45% 2 in 449 2 0.45% 2 in 448 3 0.00% 0 in 447 4 0.45% 2 in 446 5 0.00% 0 in 445 6 0.23% 1 in 444 7 0.45% 2 in 443 8 0.23% 1 in 442 9 0.23% 1 in 441 10 0.23% 1 in 440 11 0.46% 2 in 439 12 0.23% 1 in 438 13 0.23% 1 in 437 14 0.46% 2 in 436 15 0.23% 1 in 435 16 0.69% 3 in 434 17 0.00% 0 in 433 18 0.46% 2 in 432
Die im Wesentlichen diskrete Verteilung dieser Indizes der Übereinstimmung (0.00,0.23,0.46,0.69) beruht auf der kleinen Grösse des Chiffriertextes (400-500 Bytes). Wenn der gleiche Test mit 60 000 Byte eines Chiffriertextes gemacht wird, der von einem guten Kryptosystem produziert wird (in dem alle 256 mögliche Bytewerte vorhanden sein sollten, was einen Kappawert von 0.39% impliziert) erhalten wir ein Resultat der folgende Art:
Verschiebung IÜ Übereinstimmung 1 0.41% 248 in 60200 2 0.43% 258 in 60199 3 0.44% 263 in 60198 4 0.43% 258 in 60197 5 0.43% 257 in 60196 6 0.34% 205 in 60195 7 0.40% 239 in 60194 8 0.42% 252 in 60193 9 0.40% 241 in 60192 10 0.40% 242 in 60191 11 0.41% 247 in 60190 12 0.36% 216 in 60189 13 0.41% 245 in 60188 14 0.37% 223 in 60187 15 0.36% 219 in 60186 16 0.41% 247 in 60185 17 0.40% 238 in 60184 18 0.37% 222 in 60183
Ein gutes Kryptosystem sollte Chiffriertext erzeugen, der den Kappatest und andere statistische Test besteht, und er sollte keine Regelmässigkeiten oder Muster welcher Art auch immer zeigen.
Ausgewählte Bibliographie
Cryptosystem ME6
Software zur Verschlüsselung von multiplen Dateien
Kryptographie und Sicherheit Hermetic Systems Home Page