Grundlagen der Kryptologie und Verschlüsselungsmethoden

Die Kryptologie umfasst drei wesentliche Teilbereiche: Die Steganographie befasst sich mit dem Verstecken von Informationen, sodass die Existenz einer Nachricht verborgen bleibt. Die Kryptographie konzentriert sich auf das Verschlüsseln von Informationen, wobei das Dokument zwar sichtbar, aber nicht lesbar ist. Die Kryptoanalyse beschäftigt sich mit der Entschlüsselung ohne Kenntnis des Schlüssels.

Definition: Die Kryptographie verfolgt drei Hauptziele:

• Vertraulichkeit: Nur berechtigte Personen können das Dokument lesen
• Integrität: Keine unbemerkte Veränderung möglich
• Authentizität: Nachweisbare Herkunft vom tatsächlichen Absender

Bei der monoalphabetischen Verschlüsselung wie der Caesar-Verschlüsselung wird jeder Buchstabe durch einen anderen ersetzt. Der Schlüssel bestimmt dabei die Verschiebung im Alphabet. Diese Methode ist allerdings sehr unsicher, da nur 25 mögliche Schlüssel existieren. Mittels Brute-Force-Attacken oder statistischer Analyse der Buchstabenhäufigkeit lässt sich der Code leicht knacken.

Die polyalphabetische Verschlüsselung wie die Vigenère-Chiffre nutzt mehrere Verschlüsselungsalphabete abwechselnd. Dies macht die Häufigkeitsanalyse schwieriger, bietet aber immer noch Angriffsmöglichkeiten über die Kasiski-Methode. Erst das One-Time-Pad mit einem zufälligen Schlüssel, der so lang wie der Klartext ist, gilt als unknackbar.

Digitale Signaturen und Verschlüsselungstechniken

Die symmetrische Verschlüsselung bildet die Grundlage für digitale Signaturen, die eine wesentliche Rolle in der modernen Datensicherheit spielen. Im Gegensatz zur klassischen monoalphabetischen Verschlüsselung, bei der ein Zeichen immer durch dasselbe andere ersetzt wird, verwendet die digitale Signatur ein komplexeres mathematisches Verfahren.

Der Prozess der digitalen Signatur basiert auf dem Zusammenspiel von öffentlichen und privaten Schlüsseln. Der Absender verwendet seinen privaten Schlüssel, um eine Nachricht zu verschlüsseln (d(m)), während der Empfänger den öffentlichen Schlüssel des Absenders nutzt, um die Signatur zu überprüfen (e(d(m))=m). Diese Methode unterscheidet sich grundlegend von der polyalphabetischen Verschlüsselung, bei der verschiedene Substitutionsalphabete verwendet werden.

Die Sicherheit dieses Systems beruht darauf, dass nur der Besitzer des privaten Schlüssels eine gültige Signatur erstellen kann. Wenn eine Nachricht mit dem öffentlichen Schlüssel einer Person erfolgreich entschlüsselt werden kann, beweist dies, dass der Absender im Besitz des entsprechenden privaten Schlüssels war und somit die Authentizität der Nachricht gewährleistet ist.

Definition: Die digitale Signatur ist ein kryptographisches Verfahren, das die Authentizität und Integrität elektronischer Dokumente sicherstellt. Sie basiert auf asymmetrischer Verschlüsselung mit einem Schlüsselpaar aus privatem und öffentlichem Schlüssel.

Beispiel: Ein praktisches Beispiel ist die E-Mail-Signatur. Wenn Gerda Heim eine E-Mail signiert, verschlüsselt sie diese mit ihrem privaten Schlüssel. Der Empfänger kann mit Gerdas öffentlichem Schlüssel die Signatur überprüfen und so sicherstellen, dass die E-Mail tatsächlich von ihr stammt.

Hinweis: Im Gegensatz zur Caesar-Verschlüsselung oder anderen monoalphabetischen Verschlüsselungsverfahren bietet die digitale Signatur nicht nur Vertraulichkeit, sondern auch Authentifizierung und Nicht-Abstreitbarkeit der Kommunikation.