3.1 Übersicht

Die Begrifflichkeiten

Es gibt Bücher und Artikel, die akribisch zwischen Kryptologie und Kryptographie unterscheiden, andere verwenden diese Begriffe synonym. Dies ist auch in dieser Arbeit der Fall, da durch die Unterscheidung der Begriffe die Verständlichkeit und die Lesbarkeit nicht erhöht werden.
Ein Krypto-Verfahren oder auch Kryptosystem besteht aus einem Klartext, dem zugehörigen verschlüsselten Text und den Schlüsseln zum Chiffrieren und Dechiffrieren.
Unter Kryptoanalyse versteht man den Vorgang, ein Krypto-Verfahren und seine Kryptogramme zu untersuchen, so daß ohne die Kenntnis des Schlüssels der Klartext erzeugt werden kann. Eine Methode, die bei der Kryptoanalyse immer möglich ist, ist das sogenannte Brute-Force-Verfahren. Allerdings besteht das Problem, daß dies nicht immer in angemessener Zeit zu einem Ergebnis führt.

Das Grundprinzip

Allgemein arbeiten alle Krypto-Verfahren nach dem gleichen Schema. Dies ist in Abb.3.1.1 dargestellt.

Abb.3.1.1: allgemeines Kryptosystem

Obige Abbildung.3.1.1 kann man auch mathematisch beschreiben. Das Kryptogramm c wird durch eine Funktion f(k,m) erzeugt, wobei k der Schlüssel (key) und m der Klartext (message) ist. Die Funktion f(k,m) ist also die Verschlüsselungsfunktion. c kann über einen unsicheren Übertragungsweg übermittelt werden, ohne daß jemand auf den Klartext schließen kann. Nur die Funktion f*(k*,c) erzeugt wieder m.

Das Aussehen der Funktionen f und f* und die Art der Schlüssel k und k*legen die Ausprägung des Krypto-Verfahrens fest.

Eine klassische Methode der Kryptographie

Kurze Beschreibung

Ein unter dem Namen CAESAR-Chiffre bekannt gewordenes Krypto-Verfahren, das vom Namensgeber, dem römischen Imperator, benutzt worden sein soll, ist wohl eins der einfachsten seiner Art. Es wird dabei das Alphabet durch eins um k Buchstaben verschobenes ausgetauscht.

Ein Beispiel

Für k = 3 läßt sich folgende Tabelle zur Verschlüsselung anlegen.

So verschlüsselt sich m = "CDEF" zu c = f(n,m) = "ZABC" oder
für m = "DAS WETTER WAR SCHOEN" zu c = "AXP TBQQBO TXO PZELBK". Gerade der verschlüsselte Text aus dem zweiten Beispiel läßt den Anschein zu, daß das Kryptogramm wirklich die eigentliche Nachricht sicher verbirgt, doch bei genauerem Hinsehen fallen schon Ähnlichkeiten von Klartext und Kryptogramm auf.

Denkbare Angriffsmöglichkeit

So bleiben die Wortlängen an sich erhalten, und gleiche Buchstabenfolgen sind wieder zu erkennen, z.B. "ETTE" -> "BQQB". Da eine natürliche Sprache gewisse Eigenarten hat, lassen sich diese Kryptogramme schnell analysieren, so gibt es nur eine gewisse Zahl an Wörtern mit drei Buchstaben, die häufig verwendet werden und auch einzelne Buchstaben und Buchstabenkombinationen treten unterschiedlich häufig auf. Der Buchstabe, der z.B. in der deutschen und englischen Sprache am häufigsten Auftritt ist das "E"(s. relative Häufigkeit von Buchstaben). So kann man für einzelne Zeichen und Zeichenkombinationen eine Häufigkeitsanalyse durchführen und damit das Krypto-Verfahren "knacken". Wenn nun dieses Wissen auf obiges Kryptogramm angewendet wird, stellt sich "B" als häufigster Buchstabe heraus. Zwischen "E" und "B" liegt eine Verschiebung von drei Buchstaben, damit gilt diese Verschiebung auch für jeden anderen Buchstaben und so läßt sich der Klartext herstellen, ohne daß der Schlüssel bekannt war.
Es gibt viele Abwandlungen des CAESAR-Chiffres, aber alle lassen sich mit recht geringem Aufwand lösen, gerade dann, wenn die Hilfe eines Computers zur Verfügung steht. Dies gilt auch für alle anderen monoalphabetischen Krypto-Verfahren, die mit Alphabeten natürlicher Sprache arbeiten.
Allerdings ist auf einen CAESAR-Chiffre natürlich auch genauso ein Brute-Force-Angriff denkbar, denn bei 26 möglichen Schlüsseln ist es kein Problem, für jeden eine Entschlüsselung zu berechnen und so den Klartext zu gewinnen.
Der CAESAR-Chiffre zählt zu den symmetrischen, monoalphabetischen Transpositions- oder auch Verschiebe-Chiffren.

Mathematische Darstellung

Als erstes sei jedem Buchstaben des Alphabets eine Zahl von 0 bis 25 zugeordnet, dann gilt für die Menge der zu verschlüsselnden Zeichen M = {0,1,2,...,25} und eine ganze Zahl als Schlüssel k folgende Funktion, die zeichenweise verschlüsselt:

Für die Entschlüsselung gilt dann die Umkehrfunktion:

Die "mod n"-Schreibweise, bzw. ein Restklassenkörper ist im Anhang A erklärt.
Weitere mono- und polyalphabetische Krypto-Verfahren sind in [BER94] zu finden.

Bewertung von Krypto-Verfahren

Zur Bewertung von Krypto-Verfahren werden im Wesentlichen zwei Kriterien herangezogen. Zum einen die Sicherheit (die "Unknackbarkeit") und zum anderen die Geschwindigkeit von Ver- und Entschlüsselung. In [BER94] werden dazu drei Bedingungen aufgestellt, die ein Kryptoverfahren erfüllen muß:

• Für jeden Schlüssel k und für jeden Klartext m sind f(k, m) = c und f*(k, c) = m leicht zu berechnen. D.h. die Ver- und Entschlüsselung sollten bei bekanntem Schlüssel von einem entsprechnenden Computer schnell ausgeführt werden.
• Für jeden Klartext m hat der chiffrierte Text c = f(k, m) keine wesentlich größere Länge als m selbst (damit die Übertragung der chiffrierten Nachricht nicht erheblich länger dauert als die des Klartextes).
• Aus einem chiffrierten Text c kann ohne Kenntnis des Schlüssels s nicht oder nur sehr schwer der zugehörige Klartext m gewonnen werden.

Weiter sollte jedes Krypto-Verfahren mit seinen Implementierungen öffentlich zugänglich sein, damit mögliche Fehler oder absichtlich einprogrammierte Hintertüren erkannt und untersucht werden können. Das Ziel ist hier nicht "security by obscurity". Ein Krypto-Verfahren sollte seine Sicherheit nicht darauf aufbauen, daß die Algorithmen nicht bekannt sind, sondern nur auf der Geheimhaltung des jeweiligen Schlüssels. So ist es nämlich möglich, wenn dritten ein Schlüssel bekannt wird, diesen einfach nicht mehr zu benutzen und einen neuen zu wählen. Wenn allerdings ein geheimer Algorithmus bekannt wird, so wird das ganze darauf beruhende Krypto-Verfahren hinfällig.