tlwe2021-krypto-1

tech:lounge Winter Edition 2021 // Verschlüsselung: Von Cäsar bis zu AES

Grundbegriffe

• Kryptografie = kryptos (geheim) + graphein (schreiben)
  • Abgrenzung von der Steganografie
• Nachricht (aka Botschaft)
  • Klartext (= plain text)
  • Geheimtext (= cipher text)
• Personen
  • Alice (Senderin)
  • Bob (Empfänger)
  • Eve (Angreiferin)
• Verschlüsselungsverfahren
  • Algorithmus + Schlüssel (Key)
  • Verschlüsseln: e(p, k) => c
  • Entschlüsseln: d(c, k) => p
  • Forderungen
    • d(e(p, k), k) = p
    • d(e(p, k1), k2) != p
• Auguste Kerckhoff, 1883: "Kerckhoff'sche Prinzip"
  • Die Sicherheit eines Verfahrens darf nur davon abhängen, dass der Schlüssel geheim ist, nicht davon, dass der Algorithmus geheim ist.

Cäsar-Verschlüsselung

Plain text: ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ Cipher text: ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ

Algorithmus: Cäsar Schlüssel: +1

HALLO WELT => IBMMP XFMU

Angriffsszenarien

• Schlüssel raten => Brute force
  • Schlüsselraumgröße: 25
• Häufigkeitsanalyse
  • Buchstaben zählen: H am häufigsten, Q am zweithäufigsten, …
  • Vermutung: H entspricht E (+3), Q entspricht N (+3), …
  • Muster bleiben erhalten

Buchstaben durcheinander würfeln

Plain text: ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ Cipher text: TFKDVMAQ...

Schlüsselraumgröße: 26 * 25 * 24 * ... * 3 * 2 * 1 = 26! = 403.000.000.000.000.000.000.000.000

=> 403 Quatrillionen Permutationen

Angriffsszenarien

• Brute force => praktisch ausgeschlossen, zu viele Schlüssel
• Häufigkeitsanalyse => genauso (un)sicher wie Cäsar

Vigenère-Verschlüsselung

ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ <-- plainText-Zeile (definierte Spalte) BCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZA CDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZAB DEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABC EFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABCD FGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABCDE : YZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWX ZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXY

plainText: AFFENHAUS key: ABC (=> +0, +1, +2) cipherText: AGHEOJAVU

• Polyalphabetische Verschlüsselung vs monoalphabetische Verschlüsselung

Zufall

• Zufallszahlen erzeugen => Zufallszahlengenerator
  • Pseudo Random Number Generator (PRNG)

const randomNumber = Math.random();

import random;

randomNumber = random.randint(1, 10);

Die perfekte Verschlüsselung

cipherText: T (mit Cäsar) plainText:

• Unmöglich zu bestimmen ohne Kenntnis des Schlüssels
• Da die einzelnen Ergebnisse nicht voneinander zu unterscheiden sind

plainText: HALLO WELT key: 7343498623 <- Zufällig, genauso lang wie plainText, 1x verwenden 3298463287 5468765834

One-time pad (OTP)

• Vorteile
  • Einfach zu implementieren
  • Einfach zu benutzen
  • Schnell
  • Mathematisch nachweisbar 100% sicher
• Nachteile
  • Schlüssel sind sehr lang
  • Schlüsselaustausch schwierig

Moderne Verfahren

• Veraltet
  • DES (Data Encryption Standard)
  • 3DES
• Zeitgemäß
  • AES (Advanced Encryption Standard)
    • Blockchiffre
    • Blocklängen 128 Bit, 192 Bit, 256 Bit
      • Nachrichten ggf mit Padding versehen, um auf Blocklänge aufzufüllen
    • Modus
      • ECB (Electronic Code Book): Block für Block verschlüsseln
      • CBC (Cipher Block Chaining): Block mit Ciphertext von Vorgänger kombinieren
        • Initialization Vector (IV): Zufällig

plainText TI CK -T RI CK -U ND -T RA CK initializationVector VH XOR TI^VH CK^SR -T^KL ... cipherText SR KL SE

• Empfehlung
  • AES-256-CBC

Schlüsselaustauschproblem / Anzahl der Schlüssel

Alice <-----> Bob ^ / | / v / Claire

2: 1 3: 3 4: 6 5: 10 6: 15 7: 21 8: 28 9: 36 10: 45