Kryptographische Verfahren - piquadrat.com · Kryptographie 24 3. Verschlüsselungsarten AES 1....

Kryptographische Verfahren

zur Datenübertragung im Internet

Patrick Schmid, Martin Sommer, Elvis Corbo

Kryptographie

1. Einführung

2

Übersicht• Grundlagen• Verschlüsselungsarten

– Symmetrisch• DES, AES

– Asymmetrisch• RSA

– Hybrid• PGP

• Fazit

Grundlagen

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2. Grundlagen

Wieso wird verschlüsselt?

• Vertraulichkeit• Datenintegrität• Authentifizierung• Verbindlichkeit

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2. Grundlagen

Verfahren der Kryptographie

2 grundlegende Verfahren:

• Transposition:– umsortieren der Zeichen im Klartext

• Substitution:– ersetzen der Zeichen im Klartext

Verschlüsselungsarten

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3. Verschlüsselungsarten

Symmetrische Verschlüsselung

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Symmetrisch

• Sender und Empfänger benutzen exakt den selben Schlüssel !

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Symmetrisch

• Stromchiffre: Zeichen für Zeichen• Blockchiffre: Klartext aufgeteilt in Blöcke

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SymmetrischVorteile

• Wesentlich höhere Sicherheit gegenüber klassischer Verschlüsselung

• Höhere Performance gegenüber Asymmetrischen Verfahren

• Selbe Sicherheit bei kürzeren Schlüsseln

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SymmetrischNachteile

• Schlüssel müssen bekannt sein bevor ungesicherte Verbindung genutzt wird

• Jedes Kommunikationspaar braucht einen Schlüssel

→ viele Kommunikationspartner ≙ viele Schlüssel

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Symmetrisch

DES3DESAESIDEABlowfishTwofishCASTRijndael

Bekannte symmetrische Algorithmen:

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DESDES = Data Encryption StandardVerschlüsselungsalgorithmus aus den 70er Jahren64 Bit Blockchiffre Klartext64 Bit Schlüsseleffektiv 54 Bit → 70 Milliarden Schlüssel

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DES

Teilen von Klartext und Chiffre in 2 Teile16 IterationenBitsubstitutionsfunktionenBitpermutationsfunktionenBitkombinationsfunktionen

Ablauf der Verschlüsselung

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DES

ECB (Electronic Code Book)CBC (Cipher Block Chaining Mode)OFB (Output Feedback Mode)CFB (Cipher Feedback Mode)

4 Verschlüsselungsmodi:

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DES

ECB (Electronic Code Book)

Einfachster ModusOhne Berücksichtigung bereits verwendeter SchlüsselBlöcke können ausgetauscht werden

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DES

CBC (Cipher Block Chaining Mode)

Mit Berücksichtigung bereits verwendeter SchlüsselBereits codierter Block wird zum Klartext dazuaddiertBlöcke können nicht ausgetauscht werden

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DES

OFB (Output Feedback Mode)

Nicht direkt auf Klartext angewandtDES generiert Bitstrom der mit Klartext addiert wirdDES – Algorithmus wird mit Schieberegister „gefüttert“

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DES

CFB (Cipher Feedback Mode)

Wie OFB aber:

DES – Algorithmus wird anstelle eines Schieberegisters mitdem Ergebnis der vorhergehenden Codierung „gefüttert“

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DES

54 Bit Schlüssel können heute mittels Brute Force Attacke von jedem einfachen PC geknackt werden3DES wurde entwickeltDabei wird der Klartext mit Hilfe des DES – Algorithmus erst mit einem Schlüssel codiert, mit einem 2. decodiert und dann wieder mit dem ersten codiert → Schlüsselraum vergrößert sich von 2^56 auf 2^112

Fazit

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AESAES = Advanced Encryption StandardNachfolger von DES/3DESÜberzeugt durch Sicherheit, Einfachheit und PerformanceEine Maschine die einen DES – Schlüssel in einer Sekunde knackt benötigt für einen AES – Schlüssel gleicher Länge 129 Billionen JahreAES kann mit 500 Zeilen Quellcode implementiert werden

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AES

128, 196 oder 256 Bit großer Schlüssel/KlartextblockSchlüssel wird zerstückelt in eine Tabelle eingetragenTabelle besteht immer aus 4 ZeilenJede Zelle á 8 BitPro Verschlüsselungsrunde eigener Schlüssel

Funktionsweise

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AES

1. SchlüsselexpansionSchlüssellänge muss angepasst werdenNeuer Schlüssel in erster Spalte erhält man wenn der aktuelle Schlüssel über die S-BOX und mit dem Schlüssel in der nächsten Zeile der letzten Spalte XOR verknüpft wirdAllererstes Feld wird zusätzlich mit einem Wert aus der rcon –Tabelle (Array mit Konstanten) verknüpftBei den restlichen Feldern wird immer der vorhergehende Wert undder Wert an der selben Position vom alten Schlüssel XOR verknüpft

Funktionsweise

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AES

2. VerschlüsselungAnzahl Durchläufe abhängig von Schlüssel/KlartextgrößeIn Jeder Runde werden folgende Funktionen durchgeführt:

Substitution() - byteweise Verknüpfung mit S-BoxShiftRow() - Zeilen werden nach links verschobenMixColumn() - Spalten der Tabelle werden vermischtKeyAddition() - Verknüpfung von Schlüssel mit Klartext

Funktionsweise

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AES

3. Decodierung

Alle Operationen werden in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt

Funktionsweise

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Asymmetrische Verschlüsselung

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• 2 Schlüssel statt einem:– Public-Key (P) -> Encryption– Private Key (S) -> Decryption

• Schlüsselberechnung:– Diskreter Logarithmus P = gS * mod p – Faktorisierung von Ganzzahlen (Primzahlen)

= nur in eine Richtung berechenbar

Asymmetrisch

Unabhängig

Voneinander!

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Asymmetrisch1. Schritt: Verschlüsselung mit Public-Key

2. Schritt: Entschlüsselung mit Private-Key

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Asymmetrisch• Algorithmen:

– Diffie-Hellman (Martin Hellman/1976)• dient zum sicheren Schlüsselaustausch

– DAS/DSS (NIST/1994)• Signaturverfahren, z.B. bei SSL/SSH• Schnelle Generierung von Signaturen

– RSA (Rivest, Shamir, Adleman/1977)• Bekanntestes Signaturverfahren• Schnelle Verifizierung von Signaturen

– ECC (Miller, Koblitz/1985)• Signaturverfahren mit elliptischen Kurven• Noch mehr Mathe, komplexe Implementierung ;-)

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RSA• Patentfrei (seit 2000) -> keine Einschränkungen

in Leistung wie bei anderen Kryptosystemen• Verschlüsselung:

– Schlüsselpaar (N, P)• Entschlüsselung:

– Schlüsselpaar (N, S)• Wichtig für Berechnung sind:

– Gute Primzahlen– Eulersche Funktion φ (teilerfremde Zahlen)

N = Produktzweier Primzahlen

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Hybride Verschlüsselung

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Hybrid

Kombination aus symmetrischer und asymmetrischer Verschlüsselung

• Einsatz bei– Pretty Good Privacy (PGP)– Secure Electronic Transaction (SET)

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HybridVorgehensweise:

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Pretty Good Privacy (PGP)Asymmetrische Verschlüsselung mit 2 verschiedenen Schlüsseln

• Bob und Alice• Bob:

– erzeugt Ver- und Entschlüsselungs-Schlüssel– Veröffentlichung der Verschlüsselung

(Public Key) auf Key-Servern– Schlüsselarten: RSA, DAS, IDEA

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Pretty Good Privacy (PGP)

• Alice:– kann Schlüssel finden und Nachricht an Bob

senden– Bob kann diese Nachricht mit seinem

Private Key entschlüsseln

• Beide müssen sich kennen

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7. Fazit

• Kryptographie ist gut, aber:

– Unterschied zwischen Theorie und Praxis:• Faktor „Mensch“ als Unsicherheitsfaktor• SW und HW wird immer komplexer• Systeme nur so gut wie schwächstes Glied

– Entropie (Maß für Unsicherheit)• Bei Passwort: 4 Bit/Zeichen (Alphabet+Sonderzeichen) ->

kleine ASCII-Tabelle

– Qualität des Schlüssels:• Passwortlänge zu klein

– Qualität des Verschlüsselungsalgorithmus:• Nutzung des Schlüssels nicht optimal

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