Kryptographie

• Steganographie
• Cäsar Verschlüsselung
• Vigenère-Chiffre
• Enigma Code & Turing-Mashine
• Der Grundsatz moderner Kryptographie
• Symetrische Verschlüsselung
• Data Encryption Standard (DES)

• Advanced Encryption Standard (AES)
• Asymetrische Verschlüsselung
• PGP
• S/MIME
• Brute-Force-Attacken
• Man-in-the-Middle-Angriffe
• Blick in die Zukunft

Wir schreiben das Jahr 480 und befinden uns mitten im Zeitalter der Antike. Römische Feldherren buhlen um die Herrschaft des römischen Königreichs. Intrigen, Morde und andere betrügerische Aktivitäten müssen geplant und durchgeführt werden. Doch wie soll so ein geplantes Attentat dem Auftragnehmer unentdeckt übermittelt werden? Haben Sie schon einmal von Zitronensaft auf Pergament gehört? Sie stellt einen klassischen geheimen Kommunikationsweg dar.

Der Text wird mittels Zitronensaft auf das Pergament geschrieben. Nachdem der Zitronensaft getrocknet ist, macht das Pergament den Eindruck eines unbeschriebenen Blattes.

Der Empfänger der Nachricht kann die Botschaft dennoch denkbar einfach entschlüsseln. So hielt er damals beispielsweise eine Kerze hinter das Pergament und konnte so den Zitronensaft sichtbar machen und die übermittelte Nachricht lesen. Daneben gab es weitere Methoden, die in der Antike genutzt wurden. So bediente man sich auch den Sklaven, schor ihnen die Haare vom Kopf, tätowierte die Nachricht auf den Hinterkopf und wartete bis die Haare wieder nachwuchsen, um die Nachricht dem rechtmäßigen Empfänger zu überbringen. Ohne Frage zählte dies zu den radikalen Kommunikationsmitteln und war auch damals nicht für eilende Nachrichten geeignet.

Im Gegensatz zur Steganografie darf die kryptographische Kommunikation zwischen zwei oder mehreren Kommunikationspartnern sichtbar sein und bleibt trotzdem geschützt. Nur die Botschaft ist für Außenstehende durch die Verschlüsselung dieser nicht erkennbar.

Bleiben wir in Rom. Tauchen wir in die Welt der Gallier und Römer ein.

Eine beliebte Verschlüsselungstechnik wurde von einer historisch sehr bekannten Persönlichkeit entwickelt: Gaius Julius Cäsar. Heute bekannt unter der Cäsar-Chiffre, kommunizierte der spätere römische Kaiser mit seinen Heerführern in verschlüsselten Botschaften. Weder Unbefugte noch der Feind, in diesem Fall die Gallier, wussten mit den Nachrichten etwas anzufangen. Doch mit der Zeit konnte dieses Verschlüsselungsverfahren mit recht einfachen Mitteln geknackt werden.

Eine der Methoden, die die Cäsar-Chiffre als sichere Alternative ablöste, war die des französischen Diplomaten und Kryptographen Blaise de Vigenère im 16. Jahrhundert, auch bekannt als Vigenère-Chiffre. Sie ist vergleichbar mit der Cäsar-Chiffre und basiert auch auf der Substitution von Buchstaben, jedoch werden dabei mehrere Geheimtextalphabete genutzt.

Wie viele Alphabete genutzt werden, wird durch einen Schlüssel bestimmt. Statt einer Zahl wird hier ein Schlüsselwort gewählt, welches unter die Botschaft geschrieben wird. Das Schlüsselwort bestimmt pro Buchstaben den Buchstabenversatz. Der erste Buchstabe des Schlüsselwortes bestimmt das Alphabet für den ersten Buchstaben des Klartextes, der zweite Buchstabe des Schlüsselwortes bestimmt das Alphabet für den zweiten Klartextbuchstaben.

Das „G“ gibt nun einen Buchstabenversatz um sieben Buchstaben vor, da das „G“ an siebter Stelle im Alphabet steht. Das „E“ einen Versatz um fünf Buchstaben und so weiter. So wird aus dem „WIR“ ein „DNK“.

Die Sicherheit dieses Verschlüsselungsverfahrens hängt stark mit der Schlüssellänge zusammen und damit, ob man den Schlüssel wiederholt verwendet. Wirklich sicher ist das Schlüsselwort aus unserem Beispiel daher nicht.

Doch nach einigen Jahren erwies sich auch dieses Verschlüsselungsverfahren als entzifferbar. Eine ebenfalls lange Zeit als unknackbar geltendes Verschlüsselungsverfahren schauen wir uns jetzt an

Wir machen einen Stopp in Deutschland in den 30er Jahren. Wie bereits bei der Cäsar-Chiffre beschrieben, wurden Verschlüsselungsverfahren vorrangig im militärischen Kontext genutzt. Kaum verwunderlich daher, dass auch Deutschland während des Zweiten Weltkriegs auf verschlüsselte Kommunikation setzte. Das Besondere an dieser Verschlüsselung war, dass sie mithilfe einer Maschine ver- und entschlüsselt wurde. Der Schlüssel dazu wurde jeden Tag geändert, sodass er nach 24 Stunden seine Gültigkeit verlor. Die Maschine, von der die Rede ist, ist Enigma.

Die Spezialmaschine zur routinemäßigen Chiffrierung und Dechiffrierung wurde von Arthur Scherbius 1918 erfunden. Das grundlegende Arbeitsprinzip geht bereits auf die Jahre des Ersten Weltkriegs zurück. Der Erste Weltkrieg gilt als der erste Krieg, in dem Kryptographie systematisch genutzt wurde. Bereits während des Krieges und auch in den Jahren danach wurden erste Maschinen entwickelt, die eine deutlich höhere Sicherheit boten als die manuellen Methoden. Enigma wurde nach ihrer Herstellung zum Kauf angeboten, stieß aber sowohl in der Wirtschaft als auch bei staatlichen Stellen auf sehr geringes Interesse. Erst 1933 gehörte die Enigma unter Hitler zur Standardausrüstung der Nationalsozialisten. Doch wie funktioniert diese wunderliche Maschine eigentlich genau?

Auf den ersten Blick erinnert sie an eine klassische Schreibmaschine. Doch in ihrem Inneren verbirgt sich ein recht kompliziertes System. Einfach erklärt, beruht das Funktionsprinzip auf einfachen Stromkreisen, von denen jeder eine Buchstabentaste des Tastenfelds mit einem elektrischen Lämpchen verbindet, das auf dem Anzeigenfeld einen Buchstaben aufleuchten lässt. Dabei ist das „A“ jedoch nicht mit dem „A“ des Anzeigenfelds verbunden: alle Walzen sind nach einem bestimmten System miteinander verschränkt. Die Nachricht kann also nur dann entschlüsselt werden, wenn der Empfänger alle Einstellungen der Sende-Enigma kennt.

Vielfach kamen Fragen zu der Rolle der NSA in diesem Projekt auf. Die NSA soll bewusst eine Hintertür eingebaut haben, um so die verschlüsselten Informationen mitlesen zu können. Anlass zu den Vermutungen gaben vor allem die Diskussionen um die Schlüssellänge: IBM bevorzugte eine Schlüssellänge von 64 Bits während die NSA eine Schlüssellänge von 48 Bits als ausreichend ansah. Geeinigt wurde sich dann auf 56 Bits.

Weitreichend eingesetzt wurde DES bei Geldautomaten, es wurde daher als ein sehr sicheres Verschlüsselungssystem angesehen. 1998 gelang es jedoch mit „Deep Crack“ erstmalig den 56-Bit-Schlüssel zu knacken. Das Gerät konnte den DES-Algorithmus innerhalb weniger Tage per Brute-Force-Methode entschlüsseln. Heutzutage wäre dies bereits in kürzester Zeit möglich. DES wurde daher eine hohe Anfälligkeit für Brute-Force-Attacken attestiert.

2001 löste der Advanced Encryption Standard DES als Nachfolger ab. Dies bringt uns zu unserer nächsten Station.

Da DES seit den 1990er-Jahren mit seinem 56-Bit-Schlüssel nicht mehr ausreichend gegen Brute-Force-Angriffe gesichert war, schrieb das amerikanische Handelsministerium am 02. Januar 1997 die Suche nach einem Nachfolgealgorithmus aus. Um eine gewisse Sicherheit des Advanced Encryption Standards zu gewährleisten, musste der Algorithmus bestimmte Kriterien erfüllen.

Auswahlkriterien AES:

• Symmetrischer Algorithmus, Blockchiffre

• Verwendung von 128 Bit langen Blöcken

• Einsetzen von 128, 192 und 256 Bit langen Schlüsseln möglich

• Überdurchschnittliche Leistung in Hardware und Software

• Widerstandsfähigkeit gegen Kryptoanalyse

Bis zum Stichtag am 15. Juni 1998 wurden fünfzehn Vorschläge eingereicht. Zu den fünf besten Kandidaten zählten die Algorithmen MARS, RC6, Rijndael, Serpent und Twofish. Da alle Kandidaten die geforderten Kriterien erfüllten, wurden weitere Anforderungen aufgestellt, um einen Sieger küren zu können. Da Rijndael vor allem durch seine einfache Softwareimplementierung, Sicherheit und Geschwindigkeit überzeugte, wurde der belgische Algorithmus am 02. Oktober 2000 als Sieger bekannt gegeben.

Soll also nun eine Nachricht verschlüsselt an einen Empfänger gesendet werden, wird zunächst der Public Key des Empfängers benötigt. Der Public Key kann als eine Art „Einwegschlüssel“ charakterisiert werden, da dieser nur verschlüsseln nicht aber entschlüsseln kann. Ein sehr alltägliches Beispiel zur Veranschaulichung ist der Postkasten beim traditionellen Briefversand: Der Sender kennt die Adresse des Empfängers und kann den Brief in seinen Postkasten werfen. Über diesen Weg kann der Brief allerdings nicht vom Empfänger rausgeholt werden. Es bedarf hier also eines weiteren Schlüssels, um den Postkasten zu öffnen und anschließend an den Brief zu gelangen. Analog kann der Empfänger die Nachricht daher nur mit seinem Private Key wieder entschlüsseln.

1974 machte Ralph Merkle mit dem nach ihm benannten Merkles Puzzle den ersten Schritt zur Entwicklung des asymmetrischen Kryptosystems. Das erste asymmetrische Verschlüsselungsverfahren wurde dann bereits 1977 von Kryptographen am MIT entwickelt: das RSA-Verfahren. Jedoch ist dieses sehr anfällig für Angriffe, da es deterministisch, also vorherbestimmt, arbeitet und somit einfach zu knacken ist.

In den 90er Jahren beschloss der US-Senat, dass in jede Verschlüsselungssoftware oder Hardware eine Hintertür eingebaut werden sollte. Pretty Good Privacy, kurz PGP, wurde daraufhin 1991 von Philip Zimmermann spezifiziert. Mit der Entwicklung verfolgte er das Ziel, dass alle US-Bürger und Bürgerbewegungen verschlüsselte Nachrichten austauschen und sich dem Zugriff durch Geheimdienste entziehen konnten.

Da das US-Exportgesetz einen lizenzfreien Export des PGP-Quellcodes verhinderte, wurde dieser als Buch von über 60 Freiweilligen abgetippt. Das Buch fiel damals nicht unter die Exportbeschränkungen und konnte somit legal aus den USA exportiert werden, um den Code weltweit bekannt zu machen.

1997 wurde PGP von McAfee aufgekauft und in dessen Produktportfolio integriert. 2002 hat das Unternehmen die Marke wieder aufgegeben. Grund dafür soll die starke Kritik an dem nicht offengelegten Quelltext von PGP gewesen sein. Bis 2010 hielt die neu gegründete PGP Corporation alle Rechte an PGP inne, bis sie im Jahr 2010 an Symantec veräußert wurde.

PGP basiert auf einem Verschlüsselungskonzept mit zwei Hauptfunktionen: Verschlüsselung und Signierung einer Nachricht. Bei der Verschlüsselung kommen, wie bereits erklärt, ein Schlüsselpaar zur Anwendung. Jedoch wird bei PGP nicht die ganze Nachricht asymmetrisch verschlüsselt, sondern nur der verwendete Sitzungsschlüssel. Die eigentliche Nachricht wird symmetrisch chiffriert. Grund für diese hybride Verschlüsselung ist der zu hohe Rechenaufwand bei einer rein asymmetrischen Verschlüsselung.

Das im Jahr 1999 veröffentlichte Verschlüsselungsverfahren, S/MIME, basiert ebenfalls auf den Hauptanwendungen Signierung und Verschlüsselung und ähnelt damit der Funktionsweise von PGP. Wer jedoch seine E-Mails mit S/MIME verschlüsseln und signieren möchte, muss sich bei einer entsprechenden Zertifizierungsstelle registrieren und ein Zertifikat beantragen. Die Beglaubigung des öffentlichen Schlüssels durch die anderen Kommunikationspartner, wie es bei PGP der Fall ist, wird hier also durch ein förmliches Zertifikat ersetzt. Der Kommunikationspartner kann dann in den Header-Informationen der Nachricht einsehen, von welcher Zertifizierungsstelle der Sender sein Zertifikat erhalten hat und ggf. seine Identität über diese Stelle bestätigen lassen. Vor allem Unternehmen nutzen bei ihrer E-Mail-Verschlüsselung S/MIME.

Grundsätzlich sind beide vorgestellten Verschlüsselungsverfahren nur so lange sicher, wie der private Schlüssel geheim gehalten wird. Im Jahr 2018 veröffentlichte jedoch ein Forscherteam der Fachhochschule Münster, der Ruhr Universität Bochum und der Universität Leuven ein Dokument, welches die Sicherheit der Verschlüsselungsstandards PGP und S/MIME infrage stellt und damit für Aufmerksamkeit sorgte. Im Fokus der Forschungsergebnisse standen allerdings nicht die Protokolle selbst, sondern eine Schwachstelle in Mail-Clients wie Thunderbird, Apple-Mail und Co. Die Thematik wurde unter „Efail“ weltweit in Medienberichten aufgegriffen. Auch Hornetsecurity widmete Efail einen eigenen Blogbeitrag.

Brute-Force-Attacken dienen dazu, Informationen mittels der Trial-and-Error-Methode in Erfahrung zu bringen. Mithilfe entsprechender Software können innerhalb kurzer Zeit verschiedenste Zeichenkombinationen durchgetestet werden, um sich so illegal Zugriff auf gewünschte Informationen zu beschaffen. Eingesetzt wird dieses Verfahren häufig bei Passwörtern, aber ebenso zur Entzifferung von Geheimtexten. Bei dieser vollständigen Schlüsselsuche werden alle möglichen Schlüsselkombinationen „exhaustiv“, also erschöpfend, durchprobiert.

Wie bereits im letzten Beitrag dargelegt, wurde der Verschlüsselungsalgorithmus DES mithilfe einer Brute-Force-Attacke geknackt, da bei einer Schlüssellänge von 56 Bit „nur“ ca. 72 Billiarden Kombinationen möglich sind. Demnach kann einer Brute-Force-Attacke mit modernen Verschlüsselungsalgorithmen unter der Verwendung eines ausreichend langen Schlüssels entgegengewirkt werden. Es wäre aussichtslos hier eine Brute-Force-Attacke zu starten, da der notwendige Rechenaufwand zu hoch wäre. Es existieren allerdings mathematische Angriffe, die die Komplexität des Schlüssels wesentlich reduzieren, wie z. B. der Quadratwurzelangriff. Darüber hinaus gibt es noch eine andere Variante zur Absicherung dieser Attacken, die Ihnen bereits bekannt sein dürfte: nach X fehlerhaften Anmeldeversuchen auf Ihrem Smartphone, wird dieses für eine bestimmte Zeit gesperrt.

Unsere nächste Station widmet sich einer Angriffstechnik, die jeglichen Datenverkehr abgreifen kann und daher besonders gefährlich ist.

Bei einem Man-in-the-Middle-Angriff, auch bekannt als Janusangriff (röm. Mythologie), schaltet sich ein Dritter unbemerkt zwischen zwei Kommunikationspartner. Dabei täuscht er dem jeweils anderen vor, das tatsächliche Gegenüber zu sein. Ziel dieses Angriffs ist es, den Datenverkehr nach Belieben einzusehen oder gar zu manipulieren. Je nach Anwendungsbereich sind die Angriffsszenarien vielfältig. Ein beliebter Angriffsvektor ist etwa ein vom Angreifer eingerichtetes offenes WLAN-Netzwerk, mit dem sich das Opfer verbindet. Der Cyberkriminelle kann so jeglichen Datenverkehr mitlesen, während das Opfer unbedacht im Internet surft. Auch eine verschlüsselte E-Mail-Kommunikation lässt sich nach gleichem Prinzip angreifen:

Der Angreifer übermittelt dem Sender seinen Public Key, täuscht ihm dabei allerdings vor, dass es sich um den Public Key des rechtmäßigen Empfängers handelt. Der Sender verschlüsselt die Nachricht nun mit dem Public Key, welcher dem Angreifer ebenso vorliegt, dieser entschlüsselt sie mit seinem Private Key und kann die Nachricht lesen und manipulieren. Damit die Kommunikationspartner nichts davon mitbekommen, wird die Nachricht vom Angreifer mit dem Public Key des rechtmäßigen Empfängers verschlüsselt und an ihn weitergesandt, damit dieser die nun manipulierte Nachricht erhält und entschlüsseln kann.