Lernziele und Lernweg
Arbeite von historischen Verfahren zu modernen Schlüsseln. Nutze die Labore mit ungefährlichen Testnachrichten und niemals mit echten Passwörtern.
- Ich kann Klartext, Geheimtext, Schlüssel und Verschlüsselungsverfahren erklären.
- Ich kann symmetrische und asymmetrische Verschlüsselung vergleichen.
- Ich kann erklären, warum ein privater Schlüssel geheim bleiben muss.
Das Wort Kryptografie kommt aus dem Griechischen und bedeutet "verborgenes Schreiben". Schon vor Jahrtausenden wollten Feldherren und Könige Nachrichten verschicken, die der Feind nicht lesen konnte. Heute nutzen wir Verschlüsselung jeden Tag, wenn wir im Internet surfen, auf WhatsApp chatten oder mit Karte bezahlen.
1. Die Caesar-Verschlüsselung
Der römische Feldherr Julius Caesar nutzte eine der ältesten und einfachsten Methoden der Welt: Er verschob jeden Buchstaben im Alphabet um eine bestimmte Anzahl von Stellen. Wenn die Verschiebung +3 ist, wird aus einem A ein D, aus einem B ein E, und so weiter.
🔓 Interaktives Caesar-Labor
Tippe eine geheime Nachricht ein und verschiebe den Regler, um zu sehen, wie der Geheimtext (Chiffrat) entsteht!
🏴☠️ Wie wurde Caesar geknackt?
Die Caesar-Verschlüsselung ist heute extrem unsicher. Es gibt nur 25 mögliche Schlüssel, die ein Computer in Millisekunden stur durchprobieren kann (Brute-Force).
Aber schon lange vor den Computern fanden kluge Köpfe im 9. Jahrhundert einen Trick: Die Häufigkeitsanalyse. In der deutschen Sprache ist das "E" der mit Abstand häufigste Buchstabe. Zählt man in einem langen Geheimtext alle Buchstaben und das "H" kommt am häufigsten vor, ist die Wahrscheinlichkeit extrem hoch, dass das E einfach zu einem H verschoben wurde (also +3). Schon ist der Code geknackt, ganz ohne raten!
2. Die Vigenère-Verschlüsselung
Weil Caesar durch die Häufigkeitsanalyse so leicht zu knacken war, erfand man im 16. Jahrhundert eine bessere Methode. Bei der Vigenère-Chiffre wird nicht das ganze Wort um dieselbe Zahl verschoben, sondern man benutzt ein Schlüsselwort. Dieses historische Verfahren ist heute trotzdem nicht sicher genug für echte Geheimnisse.
Jeder Buchstabe deines Textes wird mit dem entsprechenden Buchstaben deines Passworts verschoben. Das "A" im Passwort bedeutet keine Verschiebung (+0), das "B" bedeutet +1, das "C" +2, usw. Dadurch wird derselbe Buchstabe (z.B. "E") im Text jedes Mal in einen anderen Geheim-Buchstaben verwandelt! Die Häufigkeitsanalyse funktionierte plötzlich nicht mehr.
🔑 Vigenère-Labor
🏴☠️ Wie wurde Vigenère geknackt?
Die Vigenère-Chiffre galt über 300 Jahre lang als absolut unknackbar ("Le Chiffre Indéchiffrable"). Doch im 19. Jahrhundert fand der Computervordenker Charles Babbage (und später Friedrich Kasiski) eine Schwachstelle: Die Mustersuche.
Wenn ein häufiges Wort wie "DER" zufällig mehrmals mit genau denselben Buchstaben des Passworts verschlüsselt wird, entsteht im Geheimtext exakt dieselbe Buchstabenfolge. Zählt man den Abstand zwischen diesen doppelten Mustern, kann man die Länge des Passworts erraten!
Weiß der Hacker erst einmal, dass das Passwort z.B. 5 Buchstaben lang ist, zerfällt die ach so sichere Vigenère-Verschlüsselung plötzlich einfach in 5 kleine Caesar-Verschlüsselungen. Und diese kann man dann wieder einzeln mit der Häufigkeitsanalyse knacken.
3. Das Public-Key-Verfahren
Caesar und Vigenère sind symmetrische Verfahren. Das bedeutet: Wer den Text verschlüsselt, nutzt denselben Schlüssel wie der, der ihn entschlüsselt.
Das Problem im Internet: Wenn du mir eine geheime Nachricht schicken willst, musst du mir vorher das Passwort verraten. Wenn ein Hacker das Passwort auf dem Weg abfängt, kann er alles lesen!
Die geniale Erfindung der Informatik war die asymmetrische Verschlüsselung (Public Key). Hierbei gibt es zwei Schlüssel. In der Praxis werden asymmetrische Verfahren oft genutzt, um sicher einen Sitzungsschlüssel auszutauschen; die eigentlichen großen Datenmengen werden anschließend symmetrisch verschlüsselt.
🔓 Der Public Key (Öffentlicher Schlüssel)
Ist wie ein offenes Vorhängeschloss. Du darfst dieses Vorhängeschloss jedem auf der Welt geben. Jeder kann seine Nachricht in eine Kiste legen und dein Schloss zudrücken. Zum Verschließen (Zuschnappen) braucht man nämlich keinen Schlüssel!
🗝️ Der Private Key (Privater Schlüssel)
Das ist der echte Schlüssel, der das Schloss wieder aufbekommt. Er verlässt niemals deinen Computer! Nur du ganz allein kannst die Kisten öffnen, die andere mit deinem Vorhängeschloss zugeschnappt haben.
4. Hashes und digitale Signaturen
Ein Hash ist ein kurzer, berechneter Prüfwert für Daten. Aus derselben Nachricht entsteht immer derselbe Hash. Schon eine kleine Änderung verändert den Prüfwert stark. Ein Hash ist keine Verschlüsselung: Er soll nicht wieder in den ursprünglichen Text zurückgerechnet werden.
Ein digitaler Fingerabdruck kann zeigen, ob eine Datei unverändert ist. Eine digitale Signatur verbindet Integrität und Identität: Der Absender signiert mit seinem privaten Schlüssel, andere prüfen mit dem öffentlichen Schlüssel.
Hash-Simulation
Gib eine Testnachricht ein und verändere danach nur ein Zeichen. Beobachte, dass der Prüfwert deutlich anders wird.
Nachricht signieren und manipulieren
Anna signiert „Treffen um 15 Uhr“. Danach verändert jemand die Nachricht. Was passiert bei der Prüfung?
5. HTTPS, E2EE und Anonymität
HTTPS verschlüsselt die Verbindung zwischen deinem Browser und einer Webseite. Dadurch wird es schwieriger, Daten auf dem Transportweg mitzulesen oder zu verändern. HTTPS beweist aber nicht automatisch, dass eine Webseite seriös ist: Auch eine betrügerische Seite kann HTTPS verwenden.
Bei Ende-zu-Ende-Verschlüsselung wird eine Nachricht auf dem Gerät des Absenders verschlüsselt und erst auf dem Gerät des Empfängers entschlüsselt. Der Transportdienst soll den Klartext nicht lesen können.
Verschlüsselung ist nicht Anonymität. Verschlüsselung schützt den Inhalt, aber nicht unbedingt Metadaten wie Zeitpunkt, Empfänger, Dateigröße oder IP-Adresse. Ein Dienst kann unter Umständen erkennen, wer wann mit wem kommuniziert, obwohl er den Text nicht lesen kann.
- Du willst deiner Freundin eine WhatsApp-Nachricht schreiben.
- Dein Handy holt sich vollautomatisch ihr "offenes Vorhängeschloss" (Public Key) vom WhatsApp-Server.
- Dein Handy sperrt die Nachricht mit ihrem Schloss zu. Der Geheimtext reist durchs Internet.
- Das Wichtige: Selbst WhatsApp oder Hacker, die den Text abfangen, sehen nur Buchstabensalat. Niemand kann das Schloss öffnen!
- Erst wenn die Nachricht auf dem Handy deiner Freundin ankommt, wird sie mit ihrem privaten Schlüssel (Private Key) aufgesperrt und lesbar gemacht.
Interaktiver Schlüssel-Check
Du möchtest Anna eine geheime Nachricht schicken. Welchen Schlüssel verwendest du zum Verschlüsseln?
Eigenarbeit: Verschlüsselung erklären
Erstelle eine Skizze mit Bob und Anna. Zeige mit Pfeilen, welcher Schlüssel öffentlich ist, welche Nachricht verschlüsselt wird und wer entschlüsseln kann.
- Markiere den Klartext und den Geheimtext.
- Zeichne den öffentlichen und den privaten Schlüssel ein.
- Erkläre, warum ein abgefangener Geheimtext allein nicht genügt.
- Notiere einen Unterschied zwischen dem Caesar-Labor und Public-Key-Verschlüsselung.