Symmetrische Kryptografie

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Symmetrische Kryptografie (Verschlüsselung) Die Verschlüsselungsverfahren, die mit einem geheimen Schlüssel arbeiten, der zum Ver- und Entschlüsseln dient, nennt man symmetrische Verfahren oder Secret-Key-Verfahren. Üblich sind auch die Bezeichnungen Secret-Key-Kryptografie und Secret-Key-Verschlüsselung.
Fast alle symmetrischen Verfahren sind auf ressourcenschonende Umgebungen optimiert. Sie zeichnen sich durch geringe Hardwareanforderungen, geringen Energieverbrauch und einfache Implementierung in Hardware aus.

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Verschlüsselung
Hardware

Themenkreis

Prinzip der symmetrischen Kryptografie (Secret-Key-Verfahren)

Die Verschlüsselungsverfahren der symmetrischen Kryptografie arbeiten mit einem einzigen Schlüssel, der bei der Ver- und Entschlüsselung vorhanden sein muss. Diese Verfahren sind schnell und bei entsprechend langen Schlüsseln bieten sie auch eine hohe Sicherheit.

Der Knackpunkt liegt in der Schlüsselübergabe zwischen den Kommunikationspartnern. Vor der sicheren Datenübertragung mit Verschlüsselung müssen sich die Kommunikationspartner auf den Schlüssel einigen und austauschen. Wenn der Schlüssel den selben Kommunikationspfad nimmt, wie die anschließend verschlüsselten Daten, dann besteht die Gefahr, dass ein Angreifer in Besitz des Schlüssels gelangt, wenn er die Kommunikation abhört. Wenn der Angreifer den Schlüssel hat, dann kann er nicht nur die Daten entschlüsseln, sondern auch selber Daten verschlüsseln, ohne das es die Kommunikationspartner bemerken. Knackpunkt ist der unsichere Schlüsselaustausch und die Authentifizierung.
Sicher ist die Schlüsselübergabe nur dann, wenn sich zwei Personen persönlich treffen und den Schlüssel austauschen oder der Schlüssel einen anderen Weg nimmt (Seitenkanal), wie es die Daten tun. Ein Möglichkeit wäre der postalische Weg (Brief, Einschreiben mit Rückschein). Allerdings nicht per E-Mail (Postkarten-Effekt).
Zur Unsicherheit trägt außerdem bei, wenn einer der Kommunikationspartner den Schlüssel nur ungenügend sicher aufbewahrt.

Der sichere Schlüsselaustausch ist eines der vielen Probleme der Kryptografie. Mit der asymmetrischen Kryptografie versucht man dieses Problem zu lösen. Weil die asymmetrische Kryptografie weit komplexere Verfahren umfasst, kombinieren die übliche kryptografischen Protokolle sowohl symmetrische als auch asymmetrische Verfahren.

Einfache Algorithmen für die Verschlüsselung mit symmetrischer Kryptografie

Jede symmetrische Verschlüsselung basiert auf einem bestimmten Algorithmus. Bei einem Verschlüsselungsalgorithmus bzw. Chiffre wird in den Klartext eine Geheiminformation, den Schlüssel, eingebracht und so der Geheimtext gebildet. Der Schlüssel kann ein Passwort, eine geheime Nummer oder auch nur eine zufällige Bitfolge sein.

  • Monoalphabetische Substitutionschiffren
  • Polyalphabetische Substitutionschiffren
  • Permutationschiffren

Die einfachste Art der Verschlüsselung erreicht man, in dem man jeden Buchstaben ein festes Symbol zuordnen. Diese Verfahren sind monoalphabetisch. Sie sind bei genügend Verschlüsselungsmaterial leicht durch eine Häufigkeitsanalyse zu brechen. In jeder Schriftsprache kommen bestimmte Buchstaben häufiger vor. Man kann also mit einfachen statistischen Mitteln eine Kryptoanalyse machen. Mit Computer-Unterstützung geht es automatisch und noch schneller.
Wesentlich schwieriger sind polyalphabetische Geheimtexte. Hier kann ein Buchstabe mehreren Symbole entsprechen. Statistische Verfahren funktionieren hier nicht mehr so einfach.

Alle gängigen symmetrische Verfahren arbeiten ausschließlich mit Bit-weisen Operationen. Hier werden Schlüssel, Klartext und Geheimtext in Form von Bitfolgen verarbeitet. In dem die Funktionen nahezu beliebig miteinander kombiniert werden, lassen sich neu symmetrische Verfahren in nahezu beliebiger Zahl entwickeln und mit bekannten Angriffen auf Schwächen testen.
In der Regel kombinieren symmetrische Verschlüsselungsalgorithmen Substitutionschiffren und Permutationschiffren miteinander und wiederholen den Vorgang mehrmals (Runden), wobei eine härtere Verschlüsselung entsteht. Typische Bestandteile von symmetrischen Verschlüsselungsalgorithmen sind:

  • Exklusiv-oder-Verknüpfung
  • Permutation: Reihenfolge einer Bit-Folge wird verändert.
  • Substitution: Eine Bit-Folge wird durch eine andere ersetzt.

Erfahrungsgemäß sind für eine wirkungsvolle Verschlüsselung keine aufwendigen Funktionen notwendig. Insbesondere beim Hardware-nahen Programmieren oder der Implementierung in Hardware ist das von Vorteil, weil sich so eine hohe Geschwindigkeit erreichen lässt.
Beim praktischen Einsatz von Verschlüsselungsalgorithmen stellt sich auch immer die Frage, wie groß die Rechenleistung für die Verschlüsselung ist. Generell gilt, je schneller ein Verschlüsselungsverfahren arbeitet, desto niedriger sind die Hardwarekosten.

Angriffe auf symmetrische Verschlüsselungsverfahren

Angriffe auf symmetrische Verschlüsselungsverfahren zielen darauf ab, an den Schlüssel zu kommen, um den Geheimtext entschlüsseln zu können, um dann an den Klartext zu kommen.

  • Ciphertext-Only-Angriff: Der Angreifer kennt den Klartext nicht. Er versucht den Schlüssel durch ausprobieren zu erraten, was der übliche Angriff auf eine Verschlüsselung ist.
  • Known-Plaintext-Angriff: Im ersten Moment ungewöhnlich, aber denkbar, dass der Angreifer den Klartext oder auch nur Teile davon kennt.
  • Chosen-Plaintext-Angriff: Der Angreifer hat die Möglichkeit den Klartext zu wählen und den Geheimtext zu bekommen. Anschließend versucht er, aus Geheim- und Klartext den Schlüssel zu berechnen.
Bekannte symmetrische Verschlüsselungsverfahren

Es gibt eine Unmenge an symmetrischen Verschlüsselungsverfahren. Die meisten sind allerdings wenig bekannt und weniger gut dokumentiert. Deshalb ist diese Liste als unvollständig anzusehen.

  • DES - Data Encryption Standard
  • 3DES - Triple DES
  • IDEA - International Data Encryption Algorithm
  • RC4 (Rivest-Cipher 4)
  • Blowfish (Bruce Schneier)
  • RC5, RC5a, RC6 (Rivest-Cipher 5 bzw. 5a bzw. 6)
  • A5 (GSM)
  • AES - Advanced Encryption Standard
  • Serpent
  • Twofish (Bruce Schneier)
  • MARS
  • SAFER/SAFER+
  • CAST (Carlisle Adams und Stafford Tavares)
  • MAGENTA
  • MISTY1
  • KASUMI (UMTS)
  • Camellia
Übersicht: Symmetrische Kryptografie
  • Stromchiffren / Stream-Cipher
  • Blockchiffren / Block-Cipher
  • DES - Data Encryption Standard
  • AES - Advanced Encryption Standard
  • Rivest-Cipher (RC2, RC5, RC6)
  • RC4 - Rivest Cipher 4
Weitere verwandte Themen:
  • Kryptografie
  • Asymmetrische Kryptografie
  • Verschlüsselung
  • Digitale Schlüssel (Verschlüsselung)
  • Kryptografische Protokolle
  • Kryptografische Verfahren und ihre Sicherheit (Übersicht)