Wie gängige Kryptographietechniken online funktionieren

Ohne moderne Kryptographietechniken würde das Internet, wie wir es kennen, nicht existieren. Sichere Kommunikation ermöglicht praktisch alle Online-Interaktionen. Verschlüsselungsalgorithmen ermöglichen den sicheren Datenaustausch und die sichere Identitätsprüfung. Ohne diese gemeinsamen kryptografischen Tools könnte unsere moderne vernetzte Gesellschaft nicht so funktionieren, wie sie es heute tut.

Symmetrische Verschlüsselungsalgorithmen

Verschlüsselungsalgorithmen mit symmetrischem Schlüssel beruhen auf einem sicheren Kennwort, das als Schlüssel fungiert. Dies ist die älteste Form der Verschlüsselung. Symmetrische Schlüssel bilden die Basis für alles, von Zahlenschlössern bis hin zu moderner Festplattenverschlüsselung. AES, DES und Blowfish sind alle moderne Verschlüsselungsalgorithmen mit symmetrischem Schlüssel.

Da die symmetrische Verschlüsselung einen gemeinsamen Schlüssel erfordert, muss der Schlüsselaustausch sicher durchgeführt werden. Während moderne Techniken wie der Diffie-Hellmen-Schlüsselaustausch den Austausch eines gemeinsamen Geheimnisses über unsichere Leitungen ermöglichen, erfordert dies einen erheblichen Kommunikationsaufwand sowie ein gemeinsames Vertrauen zwischen den Kommunikationen. Wenn ein gemeinsamer Schlüssel nicht sicher ausgetauscht werden kann, kann keine Kommunikation durchgeführt werden.

Während die Verschlüsselung mit symmetrischem Schlüssel in der Online-Kommunikation verwendet wird, wird sie fast immer mit der Verschlüsselung mit öffentlichem Schlüssel kombiniert, was eine sichere Kommunikation über offene Kanäle ermöglicht.

Verschlüsselungsalgorithmen mit asymmetrischem Schlüssel (öffentlicher Schlüssel)

Die asymmetrische oder öffentliche Schlüsselverschlüsselung verwendet ein Paar kryptografischer Schlüssel. Diese Schlüssel beziehen sich mathematisch aufeinander. Der weit verbreitete öffentliche Schlüssel verschlüsselt die Nachricht. Der private Schlüssel entschlüsselt die Nachricht. Dadurch kann jeder Absender eine Nachricht mit dem öffentlichen Schlüssel des Empfängers verschlüsseln. Dann können sie sicher sein, dass nur der beabsichtigte Empfänger die Nachricht entschlüsseln kann, da die Parteien kein Geheimnis teilen; sie brauchen kein Vertrauen.

Betrachten Sie als praktisches Beispiel diese Analogie. Was ist, wenn Alice sicher mit Bob kommunizieren möchte, ihm aber nicht vertraut?

1. Alice kauft eine Kombination aus Vorhängeschloss und Schlüssel. Sie öffnet das Vorhängeschloss mit ihrem Schlüssel und schickt das geöffnete Vorhängeschloss an Bob.
2. Bob legt seine Nachricht in eine Kiste und verwendet Alices Vorhängeschloss, um sie zu verschließen.
3. Bob gibt Alice die verschlossene Kiste zurück, die mit Alices Vorhängeschloss gesichert ist.
4. Alice öffnet die Kiste mit dem Schlüssel des Vorhängeschlosses, den nur sie besitzt.

Um die Kommunikation zu vereinfachen, kann Alice das entsperrte Vorhängeschloss duplizieren und weithin veröffentlichen. Jeder mit dem Vorhängeschloss kann ihr sichere Nachrichten senden. Bei einem ausreichend komplexen Schloss kann ein Angreifer den Schlüssel nicht allein aus dem Schloss ableiten.

Sicherheit in (großen) Zahlen

Um sicher zu bleiben, beruhen diese Algorithmen auf komplexen Vorhängeschlössern/mathematischen Problemen ohne bekannte effiziente Lösung. Diese hartnäckigen Probleme definieren Einwegfunktionen: leicht in eine Richtung zu berechnen, aber extrem schwer rückwärts zu berechnen. RSA, ein häufig verwendeter Algorithmus mit öffentlichen Schlüsseln, beruht auf der Schwierigkeit, Primfaktoren von ganzen Zahlen mit Hunderten von Dezimalstellen zu finden.

Zu Beginn generiert ein RSA-Benutzer zwei sehr große Primzahlen. Diese Zahlen werden dann miteinander multipliziert, um das Produkt zu erstellen. Der Benutzer hält die Primfaktoren, die den privaten Schlüssel umfassen, geheim. Der Benutzer veröffentlicht einen öffentlichen Schlüssel, der aus dem Produkt des Primpaares abgeleitet ist. Der öffentliche Schlüssel verschlüsselt Nachrichten; der private Schlüssel entschlüsselt sie.

Ohne die Primfaktoren zu kennen, würde das Auffinden der Primfaktoren des Produkts eine unausführbare Zeit in Anspruch nehmen. RSA-1024, der Mindeststandard, verwendet 1024-Bit-Binärprodukte, die aus 512-Bit-Binärprimzahlen bestehen. Nach der Mathematik, würde es 5,95 × 10^211 Jahre benötigen, um ohne den Schlüssel zu faktorisieren. Perspektivisch existiert das Universum nur für vergleichsweise kurze 13,75 x 10^19 Jahre.

Hash-Funktionen

Eine Hash-Funktion übersetzt eine Nachricht beliebiger Länge in einen String fester Länge, der als Hash oder Digest bezeichnet wird. Kryptografische Hashes sind deterministisch: Dieselbe Eingabe erzeugt immer dieselbe Ausgabe. Selbst geringfügige Änderungen an der Nachricht führen zu einem dramatisch anderen Hash. Das Auffinden zweier eindeutiger Nachrichten, die denselben Hash-Wert erzeugen, wird als Hash-Kollision bezeichnet und sollte nicht durchführbar sein.

Digitale Signaturen und Kennwortauthentifizierung verwenden beide Hashfunktionen wie SHA. Anstatt Ihr Klartext-Passwort zu authentifizieren, verwenden Anmeldeserver den Hash des Passworts. Der Server vergleicht diesen Hash mit dem gespeicherten Hash des Servers. Gleicher Hash, gleiches Passwort.

Gesalzene Hashes

Zur Passwortspeicherung fügen Unternehmen vor dem Hashing in der Regel ein „Salz“ hinzu. Dieser zufällig generierte String wird vor dem Hashing mit dem Passworttext verkettet, um sicherzustellen, dass selbst zwei identische Passwörter unterschiedliche Hashes erzeugen. Dies schützt auch vor einem Wörterbuchangriff auf eine gestohlene Tabelle mit gehashten Passwörtern.

Abschluss

Bis in die 1970er Jahre beruhte die Verschlüsselung auf symmetrischen Schlüsseln. Erst nach dem Nachweis der Verschlüsselung mit öffentlichem Schlüssel konnten zwei verschiedene Schlüssel – einer zum Verschlüsseln, einer zum Entschlüsseln – zur Kommunikation verwendet werden. Dieser revolutionäre Wandel, der eine Kommunikation ohne Vertrauen ermöglicht, ermöglicht es dem Internet, in seiner heutigen Form zu existieren. Alles, von Banking und Shopping bis hin zu Messaging und Web-Browsing, hängt davon ab.