Kryptographie

Um die Vertraulichkeit und Verschlüsselung von Daten sicherzustellen, sind vier wesentliche Kryptographie Grundlagen von Bedeutung:

• Die Gewährleistung einer sicheren Datenübermittlung, bei der nur berechtigte Personen oder Geräte die Daten lesen und auswerten dürfen.
• Sender und Empfänger können sich bei der Datenübermittlung gegenseitig als korrekte Absender bzw. Empfänger identifizieren.
• Nach der Datenübermittlung kann die Urheberschaft einer Nachricht nicht mehr nachträglich verändert werden. Nur bekannte und berechtige Sender und Empfänger dürfen auf die ausgetauschten Inhalte zugreifen.
• Verhinderung der unbemerkten Veränderung von Daten während des Speicherns oder des Austauschs.

Kryptographie ist ein wissenschaftlicher Teilbereich der Kryptologie. Als übergeordnete Wissenschaft befasst sich die Kryptologie mit der Verschlüsselung von Nachrichten und Daten sowie der Sicherheit von Kommunikationssystemen. Ihre Teilbereiche sind die Kryptographie und die Kryptoanalyse.

Für die Kryptographie ist die Verwendung mathematischer und algorithmischer Verfahren zur Verschlüsselung und Verifizierung von zentraler Bedeutung. Die Kryptoanalyse hingegen versucht, die Methoden der Kryptographie zu knacken und auszuwerten. Dafür setzt sie hauptsächlich statistische, mechanische und nicht-technische Verfahren wie beispielsweise Social Engineering ein.

Kryptoanalyse und Kryptographie sind gewissermaßen wie zwei Gegenstücke, die einander beeinflussen. Entwicklungen auf der einen Seite förderten im Laufe der Geschichte der Kryptographie stets ein Vorankommen auf der anderen Seite. Diese Dynamik hat verschiedene kryptographische Anwendungen wie die asymmetrische und die symmetrische Verschlüsselung hervorgebracht.

In der Vergangenheit wurden Zeichenfolgen durch Veränderungen oder Ersetzungen verschlüsselt. Ein Beispiel dafür ist die Chiffre Kryptographie, bei der ein Geheimtext (die Chiffre) nur mit einem bestimmten Code entschlüsselt werden kann. Diese Art der Verschlüsselung nennt man auch symmetrische Verschlüsselung. Symmetrisch deshalb, weil Empfänger und Sender den gleichen Schlüssel verwenden.

Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens liegt in der notwendigen Geheimhaltung des Schlüssels. Beide Seiten sind für die Geheimhaltung des Schlüssels vor unberechtigtem Zugriff verantwortlich. Das ist problematisch, da niemand garantieren kann, dass die andere Seite den Schlüssel wirklich geheim hält.

Eine weitere Einschränkung besteht in der Frage, wie eine sichere Übertragung des Schlüssels gewährleistet werden kann. Bei einer Übertragung über eine unsichere Verbindung besteht die Gefahr einer unbefugten Entschlüsselung durch Dritte.

Mit dem Aufkommen leistungsstarker Computer ließen sich diese Verschlüsselungen leicht entziffern und es wurden neue Verfahren entwickelt, die einen Schlüssel für asymmetrische Verschlüsselungen verwenden.

Asymmetrische Verfahren zur Verschlüsselung (auch bekannt als Public Key Kryptographie) beheben die gravierenden Nachteile der symmetrischen Verschlüsselung. Bei diesen Verfahren gibt es zwei Arten von Schlüsseln: einen öffentlichen und einen privaten Schlüssel. Der öffentliche Schlüssel ist allen Teilnehmenden der Datenübertragung bekannt. Zwar benötigt er beim Datenaustausch eine Verifizierung, aber nur der private Schlüssel erfordert Geheimhaltung.

Zudem sind die Schlüssel nach ihrer Aufgabe getrennt. Der öffentliche Schlüssel dient zur Verschlüsselung der Daten, während der private Schlüssel diese wiederum entschlüsselt. Zudem erstellt der private Schlüssel die Signatur für die Verifizierung der Übertragung. Dadurch findet eine Überprüfung statt, ob nur berechtigte Empfänger die Daten erhalten.

Neben Verschlüsselungstechniken werden auch weitere kryptographische Methoden eingesetzt. Meistens sind dies mathematische Berechnungen oder grafische Anwendungen. In Zukunft dürfte die sogenannte Post Quantum Kryptographie das Verschlüsselungs-Geschehen bestimmen.

Hashfunktionen sind mathematische Funktionen, die einen Eingabewert in einen Ausgabewert umwandeln. Dieser Ausgabewert wird auch als Hashwert bezeichnet. Er ist eine Art digitaler Fingerabdruck des Eingabewerts und prüft dessen Integrität. In der Informationssicherheit bedeutet Integrität die Korrektheit und Unversehrtheit von Daten. Damit sind sichere Datenpakete gemeint, die keine Schadsoftware enthalten und ausschließlich von einem verifizierten Absender an einen befugten Empfänger gesendet werden.

Ein Anwendungsbeispiel ist die Überprüfung von Dateien beim Download. Während dieses Vorgangs kann der Empfänger für die Datei einen Hashwert berechnen. Anschließend lässt sich dieser neu generierte Hashwert mit dem ursprünglichen Hashwert der Datei vergleichen. Sind beide Werte gleich, ist die Datei sicher und es fand keine Veränderung an der Datei statt.

Der große Vorteil für die Kryptographie liegt in der permanentem Nachvollziehbarkeit der Hashfunktionen. Jede Hashfunktion lässt sich nur einmal für einen bestimmten Eingabewert berechnen. Danach ist der Hashwert für diesen Eingabewert strikt vorgegeben. Selbst eine minimale Änderung des ursprünglichen Eingabewertes sorgt für einen komplett neuen Ausgabewert.

Visuelle Kryptographie verzichtet auf Buchstaben- und Ziffernfolgen zur Verschlüsselung und verwendet stattdessen visuelle Formate. Dabei wird eine Datei zur Verschlüsselung und sicheren Übertragung in ein Bild oder eine Grafik umgewandelt. Eine bekannte Anwendung für diesen Prozess ist der QR-Code, der mit der Smartphone-Kamera gescannt werden kann.

Allmählich beginnt die Zeit der Quantencomputer, die nicht mehr nach dem binären Prinzip des Ein- und Ausschaltens elektrischer Schaltkreise funktionieren, sondern auf Basis quantenmechanischer Prinzipien arbeiten.

Durch die Fortschritte in der Quantentechnologie und der Möglichkeit, Quantencomputer zu entwickeln, verlieren herkömmliche Verfahren der Kryptographie ihre Wirksamkeit. Für die Kryptographie Informatik stellt sich inzwischen die Aufgabe, mathematische Probleme zu entwickeln, die für Quantencomputer schwer lösbar sind.

Elliptische Kurvenkryptographie ist eine mathematische Methode der Kryptographie und zählt zu den asymmetrischen Verschlüsselungstechniken. Mit dieser Methode lassen sich Daten verschlüsseln und wieder entschlüsseln. Gleichzeitig können digitale Signaturen erstellt und geprüft werden. Diese Methode basiert auf den mathematischen Funktionen von elliptischen Kurven. Auf dieser Kurve werden komplexe Berechnungen durchgeführt, um ein Schlüsselpaar (privat und öffentlich) zu generieren.