Vereinfachtes Modell der symmetrischen Verschlüsselung
Im Wesentlichen: Cryptography and Network Security - Principles and Practice, 8th Edition, William Stallings
Plaintext
Die Originalnachricht, die verschlüsselt werden soll.
Ciphertext
Die kodierte/verschlüsselte Nachricht.
Encryption
Der Prozess der Umwandlung von Klartext in Geheimtext.
Decryption
Der Prozess der Wiederherstellung des Klartextes aus dem Geheimtext.
Cryptography
Das Studiengebiet der Verschlüsselungsschemata.
Cryptanalysis
Methoden und Techniken, die zur Gewinnung von Informationen aus einer verschlüsselten Nachricht dienen.
Analyse von kryptographischen Verfahren.
Cryptology
Die Bereiche Kryptographie und Kryptoanalyse.
Es gibt zwei Voraussetzungen für die sichere Verwendung der herkömmlichen Verschlüsselung:
Ein starker Verschlüsselungsalgorithmus.
Effektive Schlüsselverwaltung:
Sender und Empfänger müssen Kopien des geheimen Schlüssels auf sichere Weise erhalten haben und
den Schlüssel sicher aufbewahren.
Die Art der Operationen, die zur Umwandlung von Klartext in Chiffretext verwendet werden.
Substitution
Transposition (Vertauschungen)
Die Anzahl der verwendeten Schlüssel.
Symmetrisch: Ein-Schlüssel-, Secret-Key-, konventionelle Verschlüsselung Asymmetrisch: Zwei-Schlüssel- oder Public-Key-Verschlüsselung
Die Art und Weise, in der der Klartext verarbeitet wird:
Blockchiffre
Stromchiffre
Kryptoanalyse
Der Angriff beruht auf der Art des Algorithmus und einer gewissen Kenntnis der allgemeinen Merkmale des Klartextes.
Der Angriff nutzt die Eigenschaften des Algorithmus aus, um zu versuchen, einen bestimmten Klartext zu entschlüsseln oder den verwendeten Schlüssel zu ermitteln.
Brute-force Angriff (brachiale Gewalt)
Der Angreifer probiert jeden möglichen Schlüssel an einem Stück Chiffretext aus, bis er eine verständliche Übersetzung in Klartext erhält.
Im Durchschnitt muss die Hälfte aller möglichen Schlüssel ausprobiert werden, um Erfolg zu haben.
Art des Angriffs |
dem Kryptoanalytiker bekannt |
|---|---|
Ciphertext Only |
|
Known Plaintext |
|
Chosen Plaintext |
|
Chosen Ciphertext |
|
Chosen Text |
|
Bedingungslos Sicher (Unconditionally Secure)
Unabhängig davon wie viel Zeit ein Gegner hat, ist es ihm unmöglich, den Geheimtext zu entschlüsseln, weil die erforderlichen Informationen nicht vorhanden sind.
Rechnerisch Sicher (Computationally Secure)
Die Kosten für das Brechen der Chiffre übersteigen den Wert der verschlüsselten Informationen.
Die zum Knacken der Chiffre benötigte Zeit übersteigt die Lebensdauer der Informationen.
Es werden alle möglichen Schlüssel ausprobiert, bis eine verständliche Übersetzung des Chiffriertextes in Klartext erreicht wird.
Im Durchschnitt muss die Hälfte aller möglichen Schlüssel ausprobiert werden, um Erfolg zu haben.
Zur Durchführung des Brute-Force-Ansatzes ist ein gewisses Maß an Wissen über den zu erwartenden Klartext erforderlich. Es werden Mittel zur automatischen Unterscheidung von Klartext und „Müll“ benötigt.
Bei der Substitution werden die Buchstaben des Klartextes durch andere Buchstaben oder durch Zahlen oder Symbole ersetzt.
Wenn der Klartext als eine Folge von Bits betrachtet wird, beinhaltet die Substitution das Ersetzen von Bitmustern des Klartextes durch Bitmuster des Geheimtextes.
Einfachste und früheste bekannte Verwendung einer Substitutions-Chiffre; verwendet von Julius Cäsar.
Dabei wird jeder Buchstabe des Alphabets durch einen Buchstaben ersetzt, der drei Stellen weiter hinten im Alphabet steht.
Am Ende des Alphabets wird wieder am Anfang begonnen. Somit folgt auf den Buchstabe Z der Buchstabe A.
Unverschlüsselt: meet me after the toga partyverschlüsselt: PHHW PH DIWHU WKH WRJD SDUWB
Die Transformation kann wie folgt ausgedrückt werden:
a |
b |
c |
d |
e |
f |
g |
h |
i |
j |
k |
l |
m |
n |
o |
p |
q |
r |
s |
t |
u |
v |
w |
x |
y |
z |
D |
E |
F |
G |
H |
I |
J |
K |
L |
M |
N |
O |
P |
Q |
R |
S |
T |
U |
V |
W |
X |
Y |
Z |
A |
B |
C |
Mathematisch, wenn wir jedem Buchstaben einen Wert zuweisen:
a |
b |
c |
d |
e |
f |
g |
h |
i |
j |
k |
l |
m |
n |
o |
p |
q |
r |
s |
t |
u |
v |
w |
x |
y |
z |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
22 |
23 |
24 |
25 |
Der Algorithmus zur Verschlüsselung ist dann (\(p\) ist der Wert des zu verschlüsselnden Buchstabens):
Eine Verschiebung kann beliebig groß sein (\(k\)), so dass der allgemeine Caesar-Algorithmus lautet:
Wobei \(k\) einen Wert im Bereich von 1 bis 25 annimmt; der Entschlüsselungsalgorithmus ist einfach:
Key |
PHHW |
PH |
DIWHU |
WKH |
WRJD |
SDUWB |
|---|---|---|---|---|---|---|
1 |
OGGV |
OG |
CHVGT |
VJG |
VQIC |
RCTVA |
2 |
NFFU |
NF |
BGUFS |
UIF |
UPHB |
QBSUZ |
3 |
MEET |
ME |
AFTER |
THE |
TOGA |
PARTY |
4 |
LDDS |
LD |
ZESDQ |
SGD |
SNFZ |
OZQSX |
5 |
KCCR |
KC |
YDRCP |
RFC |
RMEY |
NYPRW |
6 |
JBBQ |
JB |
XCQBO |
QEB |
QLDX |
MXOQV |
7 |
IAAP |
IA |
WBPAN |
PDA |
PKCW |
LWNPU |
8 |
HZZO |
HZ |
VAOZM |
OCZ |
OJBV |
KVMOT |
9 |
GYYN |
GY |
UZNYL |
NBY |
NIAU |
JULNS |
10 |
FXXM |
FX |
TYMXK |
MAX |
MHZT |
ITKMR |
11 |
EWWL |
EW |
SXLWJ |
LZW |
LGYS |
HSJLQ |
12 |
DVVK |
DV |
RWKVI |
KYV |
KFXR |
GRIKP |
13 |
CUUJ |
CU |
QVJUH |
JXU |
JEWQ |
FQHJO |
14 |
BTTI |
BT |
PUITG |
IWT |
IDVP |
EPGIN |
15 |
ASSH |
AS |
OTHSF |
HVS |
HCUO |
DOFHM |
16 |
ZRRG |
ZR |
NSGRE |
GUR |
GBTN |
CNEGL |
... |
... |
... |
... |
... |
... |
... |
25 |
QIIX |
QI |
EJXIV |
XLI |
XSKE |
TEVXC |
Die Entschlüsselung ist komplizierter, wenn der Klartext bereits eine sehr hohe Entropie aufweist, wie z. B. im Falle einer komprimierten ZIP Datei:
00000000: |
504b |
0304 |
1400 |
0000 |
0800 |
afb1 |
4257 |
1da9 |
PK..........BW.. |
00000010: |
b0b9 |
4b00 |
0000 |
4f04 |
0000 |
0800 |
1c00 |
6465 |
..K...O.......de |
00000020: |
6d6f |
2e74 |
7874 |
5554 |
0900 |
036a |
241b |
65a4 |
mo.txtUT...j$.e. |
00000030: |
a9c0 |
6575 |
780b |
0001 |
04f8 |
0100 |
0004 |
1400 |
..eux........... |
00000040: |
0000 |
edcc |
db09 |
8030 |
0c05 |
d07f |
a7c8 |
049d |
.......0........ |
00000050: |
a28b |
c4f6 |
6203 |
e983 |
18d0 |
6e2f |
ee91 |
ffc3 |
....b.....n/.... |
00000060: |
c928 |
b697 |
cb1c |
2437 |
f569 |
a032 |
fb52 |
29ec |
.(....$7.i.2.R). |
00000070: |
a8f4 |
340c |
f206 |
5aca |
321c |
afff |
8cd5 |
c075 |
..4...Z.2......u |
00000080: |
d3c5 |
762a |
d291 |
2389 |
2492 |
48d2 |
0750 |
4b01 |
..v*..#.$.H..PK. |
00000090: |
021e |
0314 |
0000 |
0008 |
00af |
b142 |
571d |
a9b0 |
...........BW... |
000000a0: |
b94b |
0000 |
004f |
0400 |
0008 |
0018 |
0000 |
0000 |
.K...O.......... |
000000b0: |
0001 |
0000 |
00ff |
8100 |
0000 |
0064 |
656d |
6f2e |
...........demo. |
000000c0: |
7478 |
7455 |
5405 |
0003 |
6a24 |
1b65 |
7578 |
0b00 |
txtUT...j$.eux.. |
000000d0: |
0104 |
f801 |
0000 |
0414 |
0000 |
0050 |
4b05 |
0600 |
...........PK... |
000000e0: |
0000 |
0001 |
0001 |
004e |
0000 |
008d |
0000 |
0000 |
.......N........ |
000000f0: |
00 |
Eine Permutation einer endlichen Menge von Elementen \(S\) ist eine geordnete Folge aller Elemente von \(S\), wobei jedes Element genau einmal vorkommt.
Wenn die „Chiffre“-Zeile (siehe Cäsar-Chiffre) eine beliebige Permutation der 26 alphabetischen Zeichen sein kann, dann gibt es \(26!\) oder mehr als \(4 \times 10^{26}\) mögliche Schlüssel.
Dies ist um 10 Größenordnungen größer als der Schlüsselraum für DES!
Der Ansatz wird als monoalphabetische Substitutions-Chiffre bezeichnet, da pro Nachricht ein einziges Chiffre-Alphabet verwendet wird.
Sie sind leicht zu knacken, da sie die Häufigkeitsdaten des ursprünglichen Alphabets wiederspiegeln.
Die Gegenmaßnahme besteht darin, mehrere Substitute (Homophone) für einen einzigen Buchstaben anzubieten.
Erfunden vom britischen Wissenschaftler Sir Charles Wheatstone im Jahr 1854.
Digram
Zwei-Buchstaben-Kombination
am häufigsten im Englischen: "th""
Trigram
Drei-Buchstaben-Kombination
am häufigsten im Englischen: "the"
Bekannteste Chiffrierung mit mehreren Buchstaben.
Behandelt Digramme im Klartext als einzelne Einheiten und übersetzt diese Einheiten in Digramme des Geheimtextes.
Basiert auf der Verwendung einer 5 x 5 Buchstabenmatrix, die mit Hilfe eines Schlüsselworts konstruiert wird.
Wurde von der britischen Armee im Ersten Weltkrieg und von der US-Armee und anderen alliierten Streitkräften im zweiten Weltkrieg als Standardfeldsystem verwendet.
Füllen Sie die Buchstaben des Schlüsselworts (abzüglich der Duplikate) von links nach rechts und von oben nach unten aus, dann füllen Sie den Rest der Matrix mit den restlichen Buchstaben in alphabetischer Reihenfolge aus. Die Buchstaben I und J zählen als ein Buchstabe.
Sei das Schlüsselwort MONARCHY:
M |
O |
N |
A |
R |
C |
H |
Y |
B |
D |
E |
F |
G |
I/J |
K |
L |
P |
Q |
S |
T |
U |
V |
W |
X |
Z |
Die Verschlüsselung wird für jedes Buchstabenpaar des Klartextes durchgeführt.
M |
O |
N |
A |
R |
C |
H |
Y |
B |
D |
E |
F |
G |
I/J |
K |
L |
P |
Q |
S |
T |
U |
V |
W |
X |
Z |
Wenn beide Buchstaben gleich sind (oder nur ein Buchstabe übrig ist), fügen Sie ein "X" hinter dem ersten Buchstaben ein. Verschlüsseln Sie das neue Paar und fahren Sie fort. (Z. B. würde statt "ballon" "ba lx lo nX" verschlüsselt werden.)
Wenn die Buchstaben in der gleichen Zeile stehen, ersetzen Sie sie durch die Buchstaben unmittelbar rechts davon (ggf. umbrechen). (Z. B. wird ar als RM verschlüsselt.)
Tauchen die Buchstaben in derselben Spalte auf, so sind sie durch die unmittelbar darunter liegenden Buchstaben zu ersetzen (ggf. umbrechen). (Z. B. wird "mu" als "CM" verschlüsselt.)
Befinden sich die Buchstaben nicht in derselben Zeile oder Spalte, so werden sie durch die Buchstaben in derselben Zeile bzw. in dem anderen Paar von Ecken des durch das ursprüngliche Paar definierten Rechtecks ersetzt. (Z. B. wird hs als BP und ea als IM verschlüsselt.)
Entwickelt von dem Mathematiker Lester Hill im Jahr 1929.
Die Stärke ist, dass die Häufigkeit von einzelnen Buchstaben vollständig ausgeblendet wird.
Durch die Verwendung einer größeren Matrix werden mehr Frequenzinformationen verborgen.
Eine 3 x 3 Hill-Chiffre verbirgt nicht nur die Häufigkeiten einzelner Buchstaben sondern auch von Digrammen.
Stark gegen einen einen Angriff auf den Geheimtext, aber leicht zu brechen sobald ein Klartext vorliegt (known plaintext attack).
Alle diese Techniken haben die folgenden Merkmale gemeinsam:
Es wird ein Satz verwandter monoalphabetischer Substitutionsregeln verwendet.
Ein Schlüssel bestimmt, welche bestimmte Regel für eine bestimmte Umwandlung gewählt wird.
Polyalphabetische Substitutions-Chiffren verbessern einfache monoalphabetische Chiffren, indem sie verschiedene monoalphabetische Substitutionen verwenden, während man die Klartextnachricht verschlüsselt.
Die bekannteste und eine der einfachsten polyalphabetischen Substitutions-Chiffren.
In diesem Schema besteht die Menge der verwandten monoalphabetischen Substitutionsregeln aus den 26 Caesar-Chiffren mit Verschiebungen von 0 bis 25.
Jede Chiffre wird durch einen Schlüsselbuchstaben identifiziert, der den Klartextbuchstaben durch den Chiffretextbuchstaben ersetzt.
Aufbau
Kopfzeile: Klartextbuchstabe
1. Spalte: Schlüsselbuchstabe
Tableau: Verschlüsselter Buchstabe
Beispiel
Nehmen wir an, der Schlüssel ist "D" und der Klartextbuchstabe sei "b". Dann ist der Chiffretextbuchstabe "E".
/ |
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X |
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Um eine Nachricht zu verschlüsseln, wird ein Schlüssel benötigt, der so lang ist wie die Nachricht.
In der Regel ist der Schlüssel ein sich wiederholendes Schlüsselwort.
Ein Schlüsselwort wird mit dem Klartext selbst verkettet, um einen laufenden Schlüssel zu erhalten.
Auch dieses Verfahren ist anfällig für eine Kryptoanalyse, da der Schlüssel und der Klartext die gleiche Häufigkeitsverteilung der Buchstaben aufweisen und eine statistische Technik angewendet werden kann.
Verbesserung der Vernam-Chiffre, vorgeschlagen von dem Offizier Joseph Mauborgne des Army Signal Corp.
Verwendung eines Zufallsschlüssels, der so lang wie die Nachricht ist, so dass der Schlüssel nicht wiederholt werden muss.
Der Schlüssel wird zum Ver- und Entschlüsseln einer einzigen Nachricht verwendet und dann verworfen.
Jede neue Nachricht erfordert einen neuen Schlüssel mit der gleichen Länge wie die neue Nachricht.
Das Schema ist nachweislich nicht zu knacken.
Erzeugt eine zufällige Ausgabe, die in keinem statistischen Zusammenhang mit dem Klartext steht.
Da der Chiffriertext keinerlei Informationen über den Klartext enthält, gibt es keine Möglichkeit, den Code zu knacken.
Das One-Time-Pad bietet vollständige Sicherheit, hat aber in der Praxis zwei grundlegende Schwierigkeiten:
Es gibt das praktische Problem der Herstellung großer Mengen von Zufallsschlüsseln.
Jedes stark genutzte System könnte regelmäßig Millionen von zufälligen Zeichen benötigen.
Ein „gigantisches“ Schlüsselverteilungsproblem
Für jede zu übermittelnde Nachricht benötigen Sender und Empfänger einen gleich langen Schlüssel.
Aufgrund dieser Schwierigkeiten ist das One-Time-Pad nur von begrenztem Nutzen; es eignet sich vor allem für Kanäle mit geringer Bandbreite, die eine sehr hohe Sicherheit erfordern.
Das One-Time-Pad ist das einzige Kryptosystem, das eine perfekte Geheimhaltung bietet.
Einfachste Transpositions-Chiffre (d. h. Chiffre basierend auf Vertauschung).
Der Klartext wird als eine Folge von Diagonalen aufgeschrieben und dann als eine Folge von Zeilen abgelesen.
Um die Nachricht zu entschlüsseln, wird die Nachricht in \(K\) Zeilen geschrieben und dann in einer Diagonalen abgelesen. Die Länge einer Zeile ergibt sich aus der Länge der Nachricht (L) und der Tiefe der Chiffre (K): \(\lfloor L/K \rfloor\). Wobei die ersten \(L\;mod\;K\) Zeilen um eins länger sind als die anderen.
Ältestes bekannte (militärische) Verschlüsselungsverfahren.
Vor mehr als 2500 Jahren (vermutlich) von den Spartanern entwickelt.
Die Verschlüsselung erfolgte mit einen (Holz-)Stab mit einem bestimmten Durchmesser („Schlüssel“) (Skytale).
Ist eine komplexere Transposition.
Schreiben Sie die Nachricht zeilenweise in ein Rechteck mit wohldefinierter Breite und lesen Sie die Nachricht spaltenweise ab, aber vertauschen Sie die Reihenfolge der Spalten.
Die Reihenfolge der Spalten ist dann der Schlüssel.
Zeilenverschiebungs-Chiffre ≘ Row Transposition Cipher
Wenn der Schlüssel 4312567 ist, dann wird:
die erste Spalte wird als die vierte (4),
die zweite Spalte als die dritte (3),
die dritte Spalte als die erste (1),
...
geschrieben
Beim Entschlüsseln ergibt sich die Anzahl der Reihen trivial aus der Länge der Nachricht (\(28\) Zeichen) und der Länge des Schlüssels (\(7\) Zeichen); \(28/7 = 4\) .
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Zeichenmarkierung
Ausgewählte Buchstaben eines gedruckten oder maschinengeschriebenen Textes werden mit Bleistift überstrichen. Die Markierungen sind nur sichtbar, wenn das Papier schräg in helles Licht gehalten wird.
Unsichtbare Tinte
Es gibt eine Reihe von Substanzen, die zum Schreiben verwendet werden können, aber keine sichtbaren Spuren hinterlassen, solange das Papier nicht erhitzt oder mit einer chemischen Substanz behandelt wird.
Nadelstiche
Kleine Nadelstiche auf ausgewählten Buchstaben sind normalerweise nicht sichtbar, es sei denn, das Papier wird vor ein Licht gehalten.
Sehr helle Tinte
Druckerhersteller drucken winzige Punktmuster in sehr hellen Farben auf die Seiten. Dies erlaubt es Dokumente zu dem Drucker zurückzuverfolgen, auf dem sie gedruckt wurden.
Steganografie hat eine Reihe von Nachteilen im Vergleich zur Verschlüsselung:
Es erfordert einen hohen Overhead, um relativ wenige Bits an Informationen zu verbergen.
Sobald das System entdeckt wird, wird es praktisch wertlos.
Der Vorteil der Steganografie:
Sie kann von Parteien eingesetzt werden, die etwas zu verlieren haben, wenn die Tatsache ihrer geheimen Kommunikation (nicht unbedingt der Inhalt) entdeckt wird.
Verschlüsselung kennzeichnet den Verkehr als wichtig oder geheim oder kann den Sender oder Empfänger als jemanden identifizieren, der etwas zu verbergen hat.
Playfair Chiffre
Entschlüsseln Sie: XGAWMGAZ. Das Passwort ist MONARCHY (wie auf den Folien.)
Vigenère Chiffre
Sie haben das folgende Klartext-Chiffretext-Paar:
secret
HSFGSW
Wie ist der Schlüssel?
Welche Art von Angriff haben Sie durchgeführt?
Rail-fence Chiffre
Entschlüsseln Sie: ggettueietmsr
Rail-fence Chiffre
Verschlüsseln Sie "i love crypto" mit dem Schlüssel/der Tiefe 3.
Zeilenverschiebungs-Chiffre
Sie haben die folgende Nachricht erhalten:
YSFRITTUNCOSPJU
Außerdem konnten Sie den Schlüssel bis auf einen Wert ermitteln: 4153.
Wie viele Entschlüsselungsmöglichkeiten gibt es (noch)?
Bestimmen Sie den richtigen Schlüssel und entschlüsseln Sie den Text?
Eigenschaften von Chiffren
Wie unterscheiden sich Transpositions- und Substitutions-Chiffren?
Handelt es sich bei Monoalphabetischen Chiffren um Transpositions- oder Substitutions-Chiffren?
Kann man Transpositions- und Substitutions-Chiffren kombinieren?