Kryptographie - Software Engineering

Kryptographie
Definition:
Kryptographie ist die Lehre von der Verschlüsselung von Daten.
(altgriechisch: kryptos: verborgen, grapheiy: schreiben)
wichtigste Hilfsmittel:
- Mathematik
- Computer
Vermutung: unsicherer Kanal
Der Übertragungskanal kann beliebig und unbemerkt abgehört werden.
Ziele:
• Vertraulichkeit (Geheimhaltung des Klartexts)
• Integrität (kein Dritter konnte Daten unbemerkt ändern)
• Verbindlichkeit (die Daten stammen vom authentifizierten Sender)
• Authentizität (der Sender ist eindeutig identifiziert)
© T. Hilpold, A. Stritzinger, Universität Linz, Institut für Wirtschaftsinformatik - Software Engineering 1

Geschichte
Spartaner (5. Jhd. v. Chr):
Skytala: Papierstreifen spiralförmig um einen Stab wickeln.
Anschließend mit der Nachricht beschriften und wieder abwickeln.
Am Zielort muss der Streifen wieder auf einen Stab gleichen Durchmessers
gewickelt werden und die Nachricht kann wieder entziffert werden.
Cäsar (ca. 50 v.Chr):
Unter das Klaralphabet das Geheimalphabet verschoben schreiben.
z.B: c = p + 2 mod 26
© T. Hilpold, A. Stritzinger, Universität Linz, Institut für Wirtschaftsinformatik - Software Engineering 2

Geschichte (2)
ENIGMA (griechisch für Rätsel)
1919 v. Hugo Koch (NL) patentiert.
1926 - 28 von deutschen Marine, Armee und Luftwaffe gekauft.
Entschlüsselung: Kryptologen aus Polen und England - ULTRA
1932 von Marian Rejewski geknackt (PL)
1938 von Deutschen umgebaut,
in Bletchley Park (England) wurden die Codes entschlüsselt.
© T. Hilpold, A. Stritzinger, Universität Linz, Institut für Wirtschaftsinformatik - Software Engineering 3

weitere Begriffe
Kryptoanalyse
Methoden zum unbefugten Entschlüsseln von Daten
Kryptologie
Wissenschaft, die sich mit Kryptographie und Kryptoanalyse beschäftigt.
Verschlüsselung oder Ciffrierung
Methode um einen lesbaren Text (sog. Klartext) in einem
Geheimtext (sog. Chiffretext) mit Hilfe einer geheimen
Zeichenkette (sog. Schlüssel) und eines kryptographischen
Algorithmus umzuwandeln
(engl: ciphertext, key)
© T. Hilpold, A. Stritzinger, Universität Linz, Institut für Wirtschaftsinformatik - Software Engineering 4

Verfahren
Symmetrische Verschlüsselung
(private key encryption)
Asymmetrische Verschlüsselung
(public key encryption)
Hybride Verfahren
(kombinierte Verfahren)
© T. Hilpold, A. Stritzinger, Universität Linz, Institut für Wirtschaftsinformatik - Software Engineering 5

Symmetrische Verschlüsselung
private-key encryption
Zur Ver- und Entschlüsselung wird ein Schlüssel verwendet.
+ sehr schnelles Verfahren
+ Verfahren kann auch bekannt sein
- Problem: man muß den geheimen Schlüssel auszutauschen
(irgendwann muß ein Geheimnis kryptographisch ungeschützt übertragen werden)
- keine Authentizität, da eine Person A eine Nachricht verschlüsseln, sich selbst zusenden und
behaupten kann, sie käme vom Sender B, der denselben Schüssel verwendet.
Voraussetzung: ausreichend langer Schlüssel (z.B. 128 Bit)
© T. Hilpold, A. Stritzinger, Universität Linz, Institut für Wirtschaftsinformatik - Software Engineering 6

Symmetrische Verschlüsselung - DES
Data Encryption Standard
(1977 vom NBS (National Bureau of Standards) als Standard festgelegt)
- bekanntester symmetrischer Algorithmus
- Blockchiffrier-Algorithmus 64 bit Blocklänge, 56 Bit Schlüssellänge.
- keine mathematischen Funktionen, lediglich Vertauschung und Ersetzung von Bits in 16 Runden
- Hardwareimplementierung möglich
- relativ kurze, fixe Schlüssellänge (56 Bit)
- wurde im Jänner 1999 erstmals in 22h15min durch Probieren aller Schlüssel geknackt
- kein Fehler im DES, aber Schlüssellänge 56bit nicht mehr zeitgemäß.
Verbesserung:
durch 3-fache Verschlüsselung (Triple-DES)
Man verwendet 2 Schlüssel und verschlüsselt 3 mal hintereinander mit DES:
A->Key1->A1->Key2->A2->Key1->A3
Dadurch effektive Schlüssellänge von 112bit
Anwendungen:
große Datenströme können verschlüsselt werden
IPSEC, Nachfolger des IP-Protokolls
auch: Geldautomat (zur Authentifizierung des Geldbehebers)
....
© T. Hilpold, A. Stritzinger, Universität Linz, Institut für Wirtschaftsinformatik - Software Engineering 7

Symmetrische Verschlüsselung – DES (2)
Skizzierung des Verfahrens:
© T. Hilpold, A. Stritzinger, Universität Linz, Institut für Wirtschaftsinformatik - Software Engineering 8

weitere symmetrische Verfahren
IDEA : 64 Bit Blockgrösse, Schlüssellänge 128 Bit
in insgesamt 9 Runden werden jeweils 16 Bit Datenblöcke mit 16 Bit Schlüsselteilen verschlüsselt (XOR,
Multiplikation MOD 2 16 + 1, Addition MOD 2 16 )
RC4:
1987 von Ron Rivest für RSA-Data Security Inc. entwickelt.
- Schneller als DES.
- variable Schlüssellänge (bis 2048 Bit)
- Stromchiffrier-Algorithmus.
- OFB-Prinzip: Output Feedback Modus
- Einsatz: Mobilfunk, Dateiverschlüsselung,
Netscape (SSL), Lotus (Notes), Oracle
(SecureSQL)
- Schlüssel soll nur ein einziges Mal verwendet
werden!
Nachfolger des DES: AES (Advanced Encryption Standard)
1997 wurde von einem amerikanischen Standardisierungsinstitut (NIST) ein Wettbewerb
ausgeschrieben, um einen möglichst praktikablen, also insb. schnellen Algorithmus zu finden, der
128bit Blocklänge und mind. 128bit Schlüssellänge unterstützt. Ein Algorithmus aus Belgien (Uni Leuven
und Firma Proton) stand 10/2000 als Gewinner fest und soll DES mittelfristig ablösen.
© T. Hilpold, A. Stritzinger, Universität Linz, Institut für Wirtschaftsinformatik - Software Engineering 9

Asymmetrische Verschlüsselung
Bedeutung:
Sender und Empfänger können Informationen ohne ein zuvor vereinbartes Geheimnis austauschen!
Die Authentizität ist im Gegensatz zu symmetrischen Verfahren gewährleistet.
Grundidee: Public key - Kryptographie
Ein öffentlicher Schlüssel, der allgemein bekannt ist, wird vom Sender verwendet, um Daten zu
verschlüsseln. Die Daten können anschließend nur noch mit dem zugehörigen privaten Schlüssel, der
nur dem Empfänger bekannt ist, entschlüsselt werden. Öffentlicher und privater Schlüssel bilden ein
Schlüsselpaar.
Die Asymmetrie beruht darauf, daß man mit dem öffentlichen Schlüssel zwar verschlüsseln, nicht
jedoch entschlüsseln kann.
Geschichte:
1976 Diffie und Hellman erfanden die public key cryptography, basierend auf Schlüsselpaaren.
Sie wußten aber nicht, ob sich geeignete Schlüsselpaare finden lassen (Uni Stanford).
1978 R. Rivest A.Shamir und L-Adleman stellen den ersten und bis heute bedeutendsten Algorithmus
zur public key cryptography vor. (RSA-Algorithmus)
© T. Hilpold, A. Stritzinger, Universität Linz, Institut für Wirtschaftsinformatik - Software Engineering 10

Asymmetrische Verschlüsselung (2)
Public key - Kryptographie
öffentlicher Schlüssel (public key)
zur Verschlüsselung
geheimer Schlüssel (private key)
zur Entschlüsselung
+ kein Schlüsseltausch nötig
- bekannte Verfahren z.b. RSA sehr langsam (DES ist 1000x schneller)
wichtig: hier auch noch keine Authentizität, da öffentlicher Schlüssel allgemein bekannt.
© T. Hilpold, A. Stritzinger, Universität Linz, Institut für Wirtschaftsinformatik - Software Engineering 11

Asymmetrische Verfahren (3)
Prinzip: RSA-Verfahren
1. Man wähle 2 große Primzahlen p und q
2. n = p*q
3. Wähle eine Zufallszahl E,

Hybride Verfahren
Nachteile der bisher genannten Verfahren:
Symmetrische Verschlüsselung: unverschlüsselter Schlüsseltausch nötig
Asymmetrische Verschlüsselung: ineffizient (Potenzierung)
Die asymmetrische Verschlüsselung löst das Schlüsseltausch-Problem:
Z.B: kann ein geheimer Schlüssel eines schnellen symmetrischen Verfahrens mit asymmetrischen
Verfahren verschlüsselt und so ausgetauscht werden.
Hybride Verfahren kombinieren beide Verfahren:
Beispiel: Pretty Good Privacy
PGP - Verschlüsselung PGP – Entschlüsselung
Der Klartext wird mit schnellem symmetrischen Verfahren verschlüsselt. Nur der verwendete Schlüssel
wird (ineffizient) asymmetrisch verschlüsselt.
© T. Hilpold, A. Stritzinger, Universität Linz, Institut für Wirtschaftsinformatik - Software Engineering 13

Digitale Unterschriften – Authentizität
Erst möglich durch public-key Verschlüsselung.
Durch digitale Signaturen kann die Authentizität des Senders geprüft werden.
Signaturen sind manchmal wichtiger als Verschlüsselung von Daten !
Bsp. Banktransaktionen:
Information, dass gerade 100.000 ATS transferiert werden kann durchaus zugänglich sein. Wichtig ist
aber, dass der Kommunikationspartner tatsächlich die Bank ist.
Prinzip:
Originaltext wird mit dem privaten Schlüssel
verschlüsselt.
Kann der Empfänger mit dem öffentlichen
Schüssel die Information lesen, muss der
Absender den privaten Schlüssel verwendet
haben, und ist daher authentisch.
Kombination: Verschlüsselt und Unterschrieben:
Eine Person A kann einen Geheimtext (Public Key von B) mit private Key von A signieren. So kann B
erstens die Authentizität von A mittels dessen Public Key feststellen und mit dem eigenen Private Key
die Nachricht entschlüsseln.
© T. Hilpold, A. Stritzinger, Universität Linz, Institut für Wirtschaftsinformatik - Software Engineering 14