Symmetrisch und asymmetrisch

Moderne Verschlüsselungsverfahren lassen sich je nach Verwendung der Schlüssel in zwei Familien einteilen:

• Symmetrisch: Derselbe Schlüssel verschlüsselt und entschlüsselt. Beispiel: AES.
• Asymmetrisch: Ein Schlüsselpaar, bei dem ein Schlüssel verschlüsselt und ein anderer entschlüsselt. Beispiel: RSA.

In realen Systemen werden beide Verfahren kombiniert. Das Verständnis ihrer jeweiligen Vor- und Nachteile ist für das Angreifen und Absichern kryptografischer Systeme unerlässlich.

Bei der symmetrischen Verschlüsselung teilen sich beide Parteien einen geheimen Schlüssel. Mit demselben Schlüssel werden die Daten ver- und entschlüsselt.

• Vorteil: sehr schnell und ideal für große Datenmengen.
• Nachteil: Der Schlüssel muss zunächst sicher ausgetauscht werden. Das ist das Problem der Schlüsselverteilung.

AES (Advanced Encryption Standard) ist die führende symmetrische Chiffre. Es handelt sich um eine Blockchiffre, die mit 128-Bit-Blöcken und Schlüssellängen von 128, 192 oder 256 Bit arbeitet.

AES ist schnell, wird von modernen CPUs per Hardware beschleunigt und gilt bei korrekter Verwendung als sicher. AES-256 ist die gängige Wahl für ein hohes Sicherheitsniveau.

Eine Blockchiffre benötigt einen Betriebsmodus, um Daten zu verarbeiten, die größer als ein Block sind:

• ECB: unsicher; identische Blöcke erzeugen identischen Chiffretext und verraten dadurch Muster. Vermeiden.
• CBC: verkettet Blöcke mit einem Initialisierungsvektor (IV). Besser, erfordert aber sorgfältige Verwendung.
• GCM: bietet sowohl Verschlüsselung als auch Authentifizierung (AEAD). Der moderne empfohlene Modus.

Eine berühmte Demonstration: Selbst wenn ein Bild eines Pinguins mit AES im ECB-Modus verschlüsselt wird, bleibt der Umriss des Pinguins sichtbar. ECB verschlüsselt identische Klartextblöcke in identische Chiffretextblöcke, sodass die Struktur sichtbar bleibt.

Deshalb sollten Sie ECB bei Sicherheitsprüfungen als Befund erkennen. Die Chiffre ist stark; der Modus ist die Schwachstelle.

Asymmetrische Verschlüsselung verwendet ein mathematisch miteinander verknüpftes Schlüsselpaar:

• Öffentlicher Schlüssel: wird frei geteilt. Jeder kann damit Daten für Sie verschlüsseln.
• Privater Schlüssel: wird geheim gehalten. Nur Sie können damit entschlüsseln.

Damit wird das Problem der Schlüsselverteilung gelöst: Sie können Ihren öffentlichen Schlüssel offen veröffentlichen, ohne die Sicherheit zu gefährden.

RSA ist der klassische asymmetrische Algorithmus. Seine Sicherheit beruht auf der Schwierigkeit, das Produkt zweier großer Primzahlen zu faktorisieren.

Schlüssellängen von 2048 Bit sind heute üblich; 3072 oder 4096 Bit bieten eine größere Sicherheitsreserve. RSA ist im Vergleich zu AES langsam und wird daher nur selten direkt zur Verschlüsselung großer Datenmengen eingesetzt.

Asymmetrische Schlüssel erfüllen zwei unterschiedliche Aufgaben:

• Vertraulichkeit: Verschlüsseln Sie mit dem öffentlichen Schlüssel des Empfängers; nur dessen privater Schlüssel kann entschlüsseln.
• Authentizität (Signierung): Signieren Sie mit Ihrem privaten Schlüssel; jeder kann mit Ihrem öffentlichen Schlüssel prüfen, dass die Signatur von Ihnen stammt.

Beachten Sie, dass die Schlüssel für diese beiden Zwecke in umgekehrten Rollen verwendet werden.

Reale Protokolle wie TLS kombinieren beide Verfahren. Der Ablauf:

• Verwenden Sie einmalig langsame asymmetrische Kryptografie, um sicher einen zufälligen Sitzungsschlüssel auszutauschen.
• Verwenden Sie schnelle symmetrische AES-Verschlüsselung mit diesem Sitzungsschlüssel für die eigentlichen Daten.

So erhalten Sie die Geschwindigkeit der symmetrischen Verschlüsselung und zugleich die bequeme Schlüsselverteilung der asymmetrischen Verschlüsselung.

Diffie-Hellman ermöglicht es zwei Parteien, sich über einen unsicheren Kanal auf ein gemeinsames Geheimnis zu einigen, ohne das Geheimnis selbst zu übertragen. Das Verfahren bildet die Grundlage des modernen TLS-Schlüsselaustauschs.

Varianten mit elliptischen Kurven (ECDH, ECDSA) erreichen mit deutlich kleineren Schlüsseln dieselbe Sicherheit wie RSA. Dadurch sind sie schneller und werden zunehmend zum Standard.

Starke Algorithmen versagen durch eine fehlerhafte Verwendung. Achten Sie auf diese Befunde:

• ECB-Modus, der Klartextmuster sichtbar macht.
• Wiederverwendete oder vorhersehbare IVs/Nonces in CBC oder GCM.
• Fest im Quellcode oder in Konfigurationsdateien hinterlegte Schlüssel.
• Zu kleine RSA-Schlüssel (512 oder 1024 Bit), die faktorisiert werden können.
• Padding-Oracle-Verhalten, das den Klartext Byte für Byte verrät.

Die Mathematik ist nur selten gebrochen; meistens ist die Implementierung fehlerhaft.

Wenden Sie Ihr Verständnis öffentlicher und privater Schlüssel an.

Sie haben die beiden Verschlüsselungsfamilien verglichen:

• Symmetrisch (AES): ein gemeinsamer Schlüssel, schnell, aber mit schwieriger Schlüsselverteilung. Verwenden Sie den GCM-Modus, niemals ECB.
• Asymmetrisch (RSA, ECC): ein Paar aus öffentlichem und privatem Schlüssel, löst das Verteilungsproblem, ist aber langsam.
• Verschlüsseln Sie mit dem öffentlichen Schlüssel des Empfängers; signieren Sie mit Ihrem privaten Schlüssel.
• Hybride Systeme und Diffie-Hellman verbinden in TLS die Vorteile beider Verfahren.

Als Nächstes: Hashes in der Praxis identifizieren und knacken.